Was sind LoRa und LoRaWAN?
Willkommen bei The Things Fundamentals über LoRaWAN. In diesem Artikel erfahren Sie, warum LoRaWAN so wunderbar ist, hören von einigen tollen LoRaWAN Anwendungsfällen und lernen den Unterschied zwischen LoRa und LoRaWAN kennen.

LoRa
LoRa ist eine drahtlose Modulationstechnik, die von der Chirp Spread Spectrum (CSS) Technologie abgeleitet ist. Es kodiert Informationen auf Funkwellen mit Chirp-Impulsen - ähnlich der Art und Weise, wie Delphine und Fledermäuse kommunizieren! Die modulierte LoRa-Übertragung ist robust gegen Störungen und kann über große Entfernungen empfangen werden.

Erschrecken Sie nicht über die komplexen Begriffe; die LoRa-Modulation und die Chirp Spread Spectrum-Technologie sind in der Praxis einfach zu verstehen. Falls Sie neugierig geworden sind, erklärt Richard Wenner in diesem Video, wie die Chirp-Spread-Spectrum-Technologie funktioniert:

LoRa ist ideal für Anwendungen, die kleine Datenpakete mit niedrigen Bitraten übertragen. Im Vergleich zu Technologien wie WiFi, Bluetooth oder ZigBee können Daten über eine größere Reichweite übertragen werden. Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich LoRa gut für Sensoren und Aktoren, die im Energiesparmodus arbeiten.

LoRa kann auf den lizenzfreien Sub-Gigahertz-Bändern betrieben werden, zum Beispiel auf 915 MHz, 868 MHz und 433 MHz. Es kann auch auf 2,4 GHz betrieben werden, um im Vergleich zu den Sub-Gigahertz-Bändern höhere Datenraten zu erreichen, allerdings auf Kosten der Reichweite. Diese Frequenzen fallen in ISM-Bänder, die international für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Zwecke reserviert sind.

Was ist das LoRa-Funkgerät?

LoRa nutzt Hochfrequenzsignale zur Kommunikation und zum Betrieb im unlizenzierten ISM-Spektrum. Das bedeutet, dass jeder dieses Frequenzband offen nutzen kann, ohne dafür zu bezahlen oder eine Lizenz zu erhalten, solange die von der FCC in den USA festgelegten Vorschriften eingehalten werden. Obwohl LoRa im ISM-Band (Industrial, Science, Medical) arbeitet, sind die Reichweiten innerhalb der ISM-Felder je nach geografischer Region sehr unterschiedlich.

LoRa bietet die erforderlichen Reichweiten und Datenraten innerhalb der folgenden geografischen Frequenzen für bestimmte drahtlose Sensoren: Europa: 868Mhz und 433 Mhz, USA: 915Mhz und AUS: 915-928 Mhz. Diese Unterschiede verhindern, dass US-amerikanische Geräte und Gateways mit europäischen oder australischen Geräten kompatibel sind. Es gibt mehrere Techniken, die LoRa zur Verbesserung der Datenzuverlässigkeit einsetzt, die beiden wichtigsten sind jedoch Spread Spectrum und Adaptive Data Rate (ADR).

Spread Spectrum: Ursprünglich für militärische Anwendungen entwickelt, um die Widerstandsfähigkeit gegen Störungen durch Rauschen und Störeinflüsse zu erhöhen. Zu diesem Zweck werden die Rohdaten über eine größere Frequenz verteilt.

ADR: Dies ermöglicht die Erhöhung der Datenrate und der Sendeleistung, um die Signalqualität und die Entfernung zum Gateway anzupassen. Eine langsame Übertragung hat einen höheren Spreizungsfaktor, wodurch größere und zuverlässigere Reichweiten erzielt werden.

LoRaWAN
LoRaWAN ist ein Protokoll der MAC-Schicht (Media Access Control), das auf der LoRa-Modulation aufbaut. Es handelt sich um eine Softwareschicht, die definiert, wie Geräte die LoRa-Hardware nutzen, z. B. wann sie senden und wie das Format der Nachrichten aussieht.

Das LoRaWAN-Protokoll wird von der LoRa Alliance entwickelt und gepflegt. Die erste LoRaWAN-Spezifikation wurde im Januar 2015 veröffentlicht. Die folgende Tabelle zeigt die Versionsgeschichte der LoRaWAN-Spezifikationen. Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Dokuments sind die neuesten Spezifikationen 1.0.4 (in der 1.0-Serie) und 1.1 (1.1-Serie).

Version | Erscheinungsdatum
1.0 | Januar 2015
1.0.1 | Februar 2016
1.0.2 | Juli 2016
1.1 | Oktober 2017
1.0.3 | Juli 2018
1.0.4 | Oktober 2020
Bandbreite vs. Reichweite
LoRaWAN eignet sich für die Übertragung kleiner Nutzlasten (wie Sensordaten) über große Entfernungen. Die LoRa-Modulation bietet eine deutlich größere Kommunikationsreichweite bei geringerer Bandbreite als andere konkurrierende drahtlose Datenübertragungstechnologien. Die folgende Abbildung zeigt einige Zugangstechnologien, die für die drahtlose Datenübertragung verwendet werden können, und ihre erwarteten Übertragungsreichweiten im Vergleich zur Bandbreite.

Warum ist LoRaWAN so toll?

• Extrem niedriger Stromverbrauch - LoRaWAN-Endgeräte sind für den Betrieb im Energiesparmodus optimiert und können bis zu 10 Jahre mit einer einzigen Knopfzelle betrieben werden.
• Große Reichweite - LoRaWAN-Gateways können Signale über eine Entfernung von über 10 Kilometern in ländlichen Gebieten und bis zu 3 Kilometern in dichten städtischen Gebieten senden und empfangen.
• Große Reichweite in Innenräumen - LoRaWAN-Netzwerke können eine große Reichweite in Innenräumen bieten und problemlos mehrere Stockwerke abdecken.
• Lizenzfreies Spektrum - Sie müssen keine teuren Lizenzgebühren für das Frequenzspektrum zahlen, um ein LoRaWAN-Netzwerk einzurichten.
• Geolokalisierung - Ein LoRaWAN-Netzwerk kann den Standort von Endgeräten durch Triangulation bestimmen, ohne dass GPS erforderlich ist. Ein LoRa-Endgerät kann geortet werden, wenn mindestens drei Gateways sein Signal auffangen.
• Hohe Kapazität - LoRaWAN-Netzwerkserver verarbeiten Millionen von Nachrichten von Tausenden von Gateways.
• Öffentlicher und privater Einsatz - Öffentliche und private LoRaWAN-Netzwerke lassen sich mit derselben Hardware (Gateways, Endgeräte, Antennen) und Software (UDP-Packet-Forwarder, Basic Station-Software, LoRaWAN-Stacks für Endgeräte) leicht einrichten.
• Ende-zu-Ende-Sicherheit - LoRaWAN gewährleistet eine sichere Kommunikation zwischen dem Endgerät und dem Anwendungsserver mit AES-128-Verschlüsselung.
• Firmware-Updates over the air - Sie können Firmware (Anwendungen und den LoRaWAN-Stack) für ein einzelnes Endgerät oder eine Gruppe von Endgeräten aus der Ferne aktualisieren.
• Roaming - LoRaWAN-Endgeräte können nahtlos von einem Netz in ein anderes übergehen.
• Geringe Kosten - Minimale Infrastruktur, kostengünstige Endknoten und Open-Source-Software.
• Zertifizierungsprogramm - Das Zertifizierungsprogramm der LoRa Alliance zertifiziert Endgeräte und gibt den Endnutzern die Gewissheit, dass die Geräte zuverlässig und mit der LoRaWAN-Spezifikation konform sind.
• Ökosystem - LoRaWAN verfügt über ein sehr großes Ökosystem von Geräteherstellern, Gateway-Herstellern, Antennenherstellern, Netzwerkdienstleistern und Anwendungsentwicklern.

LoRaWAN- Anwendungsbeispiele
Hier sind einige großartige LoRaWAN-Anwendungsfälle, die von IoTNVR zur Verfügung gestellt wurden, um Ihnen einen Einblick zu geben, wie LoRaWAN eingesetzt werden kann:

• Überwachung der Kühlkette von Impfstoffen - LoRaWAN-Sensoren werden eingesetzt, um sicherzustellen, dass Impfstoffe während des Transports bei angemessenen Temperaturen gelagert werden.
• Tierschutz - Tracking-Sensoren überwachen gefährdete Arten wie Spitzmaulnashörner und Amurleoparden.
• Demenzkranke - Armbandsensoren sorgen für Sturzerkennung und Medikamentenverfolgung.
• Intelligente Landwirtschaftsbetriebe - Echtzeiteinblicke in die Bodenfeuchtigkeit von Nutzpflanzen und optimierte Bewässerungspläne reduzieren den Wasserverbrauch um bis zu 30 %.
• Wassereinsparung - Erkennung und schnellere Reparatur von Lecks im Wassernetz einer Stadt.
• Lebensmittelsicherheit - Die Temperaturüberwachung gewährleistet die Aufrechterhaltung der Lebensmittelqualität.
• Intelligente Abfalleimer - Der Füllstand der Abfalleimer wird an das Personal gemeldet, um den Abholplan zu optimieren.
• Intelligente Fahrräder - Fahrrad-Tracker verfolgen Fahrräder in abgelegenen Gebieten und dichten Gebäuden.
• Flughafen-Tracking - GPS-freies Tracking überwacht Fahrzeuge, Personal und Gepäck.
• Effiziente Arbeitsbereiche - Überwachung von Raumbelegung, Temperatur, Energieverbrauch und Parkplatzverfügbarkeit.
• Gesundheit von Rindern - Sensoren überwachen die Gesundheit von Rindern, erkennen Krankheiten und prognostizieren den Geburtstermin von Kälbern.
• LoRa im Weltraum - Satelliten für eine weltweite LoRaWAN-basierte Abdeckung.

Wie funktioniert LoRaWAN?
Der Einfachheit halber lassen sich LoRaWAN-Netzwerke in erster Linie durch das folgende Diagramm veranschaulichen:

Geräte<->LoRa-Funk <->Gateway<->Netzwerkserver <->Endanwendung

Sieht linear und einfach aus und ist doch verwirrend und geheimnisvoll. Wie funktioniert das und was bedeutet es? Upstream-Nachrichten (vom Gerät gesendete Daten) werden verschlüsselt und über LoRa-Funk durch Übertragungen gesendet. Die Nachricht wird von einem oder mehreren Gateways empfangen, die dann die verschlüsselten Daten über ein Netzwerk (typischerweise IP-Mobilfunk/Ethernet) an einen Netzwerkserver übertragen. Der Netzwerkserver ist die Software, die das Gerät authentifiziert und die LoRaWAN-Nutzdaten entschlüsselt. Anschließend leitet der Server das Datenpaket an die entsprechende Endanwendung weiter.

Dieser Prozess kann auch umgekehrt ablaufen, besser gesagt, es können Nachrichten nachgeschickt werden, die es der Anwendung ermöglichen, die Endgeräte neu zu konfigurieren. Das bedeutet, dass einige Geräte beim Abhören der eingehenden Datenübertragung eingeschränkt sind. Dieser Faktor ist geräteabhängig, wie im nächsten Abschnitt beschrieben.
Was sind drahtlose LoRaWAN-Sensorgeräte?
Ein LoRaWAN-Sensorgerät ist alles, was Informationsdaten sendet oder empfängt, und wird in der Regel von Geräten wie drahtlosen Sensoren, Detektoren und Aktoren ausgeführt. Diese Geräte werden in 3 Klassen eingeteilt und sind im Wesentlichen eine Steigerung gegenüber der vorherigen Klasse.

Ein Gerät der Klasse A kann z. B. nur während eines kleinen Zeitfensters eine Nachricht empfangen, nachdem es eine Uplink-Nachricht gesendet hat, und kehrt dann in einen energiesparenden Ruhezustand zurück, in dem es keine neuen Nachrichten empfangen kann.

Die Klasse B ähnelt der Klasse A, ist aber in der Lage, in bestimmten Zeitabständen auf eingehende Nachrichten zu warten.

Im Gegensatz zu den Klassen A und B ist Klasse C in der Lage, kontinuierlich auf neue eingehende Nachrichten zu warten, ohne in den Ruhezustand zu wechseln. Diese Funktion geht jedoch auf Kosten eines höheren Energieverbrauchs, weshalb viele Geräte der Klasse C nicht batteriebetrieben sind.

Der LoRaWAN-Standard verwendet zwei verschiedene Nachrichtentypen: MAC-Nachrichten und Daten-Nachrichten. MAC-Nachrichten werden als Befehle zur Steuerung der Funk- und Netzwerknachrichten verwendet. Datenmeldungen sind die eigentliche Nutzlast, die gesendet/empfangen wird, und sind anwendungs- oder gerätespezifisch. Da diese Sensoren nur über begrenzte Messaging-Fähigkeiten verfügen, können MAC-Befehle/Nachrichten ähnlich wie Huckepack-Nachrichten neben Datennachrichten verwendet werden, und es können zahlreiche MAC-Nachrichten gleichzeitig gesendet werden.
Was ist ein LoRa-Gateway?
Ein Gateway kann man sich wie einen Zugangspunkt oder ein Modem vorstellen. Es empfängt alle LoRa-Funknachrichten, die von Geräten innerhalb der Reichweite gesendet werden. Wenn das Gateway über einen eingebauten Netzwerkserver verfügt, verarbeitet es die Nutzdaten lokal, und wenn sich der Netzwerkserver in der Cloud befindet, leitet das Gateway die verschlüsselten Pakete einfach an den Server weiter.

Was macht der Netzwerkserver?
Sobald ein LoRa-Gateway ein übertragenes Datenpaket (Nachricht) empfangen hat, wird es zu einem Netzwerkserver weitergeleitet, der als der intelligenteste oder anspruchsvollste Bereich des LoRaWAN-Netzwerks gilt. Netzwerkserver sind für die Ausführung einer Liste verschiedener Aufgaben verantwortlich, die Folgendes umfassen:

• Entschlüsselung der LoRa-Nutzdaten
• Bereitstellung von Geräten für die Kommunikation mit dem Netzwerk
• Gruppierung eingehender Nachrichten von allen LoRaWAN-Gateways innerhalb seiner Netzwerk- und Sensorreichweite.
• Weiterleitung der eingehenden Daten an die entsprechende Endanwendung.
• Regulierung der LoRa-Funkeinstellungen für die Gateways.
• Wenn es mehrere Gateways gibt, wird das beste Gateway innerhalb der Reichweite für Downlink-Nachrichten für dieses bestimmte Gerät ausgewählt.
• Datenpufferung: speichert Downlink-Daten (Nachrichten), bis ein LoRa-Gerät der Klasse A oder B in der Lage ist, die bei der Konfiguration angegebenen Nachrichten zu empfangen.
• Filtern/Beseitigen von doppelten Nachrichten/Daten, die von einem einzigen Gerät gesendet werden und über mehrere Gateways erscheinen, wenn die empfangenden Gateways die Geräte nicht kennen. Da es keine Unterscheidung gibt, können mehrere Gateways die gleichen Daten empfangen.
• Bewertung/Überwachung von Gateways und Geräten.

In den meisten Fällen leitet der Netzwerkserver Nachrichten von einer bestimmten ID und einem bestimmten Port an eine bestimmte oder vordefinierte Anwendung weiter. Dies geschieht in der Regel durch Senden an einen Webdienst (HTTP(S)) oder durch Ablegen in einer MQTT-Warteschlange, damit sie in einem bestimmten Intervall an die richtige Stelle gesendet werden.
Was bedeutet Endanwendung?
Der letzte Schritt der Datenübertragung in einem LoRa-Netzwerk ist die Übermittlung der Daten an die eigentliche Endanwendung. Hier erstellen Hersteller und Entwickler einen Code, um die von den Geräten empfangenen Nachrichten für die jeweilige Anwendung zu analysieren. Hier werden die Rohdaten in verdauliche Informationen für die Interpretation durch den Endbenutzer umgewandelt.


Wir haben das Flussdiagramm vereinfacht, damit Sie visuell vergleichen können, wie diese Bereiche miteinander arbeiten.

Schließlich ist da noch der Aspekt der Sicherheit zu nennen. Da die Netze selbst nicht in der Lage sein müssen, die empfangenen Daten zu interpretieren, es sei denn, sie beziehen sich auf die Netzinfrastruktur oder sind für das Netz selbst relevant. Ein Netzwerksitzungsschlüssel (NwkSKey) verschlüsselt die Nachrichten und Nutzdaten, wenn ein MAC-Befehl gesendet wird. Dieser Schlüssel signiert die Nachricht und ermöglicht es den Netzen, die Identität des Absenders zu überprüfen.

Ein zweiter Schlüssel, der so genannte Anwendungssitzungsschlüssel (AppSKey), ist für die Verschlüsselung der Nutzdaten zuständig und muss vom Netzserver nicht erkannt werden, um die Nachricht dorthin zu leiten, wo sie benötigt wird. Der Anwendungsserver entschlüsselt dann die Nachricht, um die Informationen zu extrahieren, indem er denselben Schlüssel verwendet.

Es gibt zwei sichere Möglichkeiten, einem LoRa-Netzwerk beizutreten. Sie werden als Activation by Personalization (ABP) und Over the Air Activation (OTAA) bezeichnet. Dies bestimmt, wie sich LoRaWAN-Geräte mit Netzwerken verbinden, beinhaltet aber keinen Upstream-Downstream-Kommunikationsfluss, wie wir ihn oben beschrieben haben.