LoRaWAN

LoRaWAN ist die Abkürzung für Long Range Wide Area Network. Es handelt sich um ein Media Access Control (MAC) Protokoll. LoRaWAN ermöglicht die Kommunikation zwischen batteriebetriebenen Sensoren und öffentlichen Netzen. Mit einer Reichweite von bis zu 15 Kilometern und einer Batterielebensdauer von bis zu 10 Jahren ist es ideal für IoT-Anwendungen.

LoRaWAN wurde 2009 von den Gründern des in Grenoble ansässigen Unternehmens Cycléo entwickelt. Cycléo wurde 2012 von Semtech aufgekauft. Semtech gründete 2015 die LoRa Alliance.

LoRaWAN unterstützt verschiedene Nachrichtentypen, die als LoRa Message Types bekannt sind. Diese umfassen Uplink-Nachrichten, die von den Endgeräten (Sensoren) an den Server gesendet werden, und Downlink-Nachrichten, die vom Server an die Endgeräte gesendet werden. Die Datenmenge und das Sendeintervall haben einen großen Einfluss auf die Batterielebensdauer.

LoRa und LoRaWAN sind eng miteinander verwandt, erfüllen aber unterschiedliche Aufgaben.

LoRa steht für „Long Range“ und ist eine von Semtech entwickelte Funktechnologie. LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) hingegen ist ein Netzwerkstandard und Kommunikationsprotokoll, das den gesamten Netzwerkaufbau sowie die Kommunikation der einzelnen Komponenten untereinander regelt.

LoRa ist die physikalische Übertragungstechnik, die eine hohe Reichweite bei geringem Energieverbrauch bietet. Sie nutzt das Chirp Spread Spectrum (CSS) Modulationsschema, um Daten effizient über verschiedene Frequenzbänder zu übertragen.

Die LoRa-Technologie bietet eine beachtliche Reichweite, die durch verschiedene Anpassungen weiter optimiert werden kann. Entscheidend ist dabei die Wahl der richtigen LoRa-Frequenz. Durch die Anpassung der LoRaWAN-Frequenz sowie der LoRa Spreading Factor Range kann die LoRa-Reichweite erhöht werden, was insbesondere für großflächige IoT-Anwendungen relevant ist.

Um die LoRa-Reichweite zu erhöhen, können auch verschiedene technologische Anpassungen vorgenommen werden. Dazu gehören die Feinabstimmung der LoRaWAN-Frequenz und der Einsatz geeigneter Antennen. Diese Maßnahmen können die Signalstärke verbessern und Störungen reduzieren. Frequenzbereiche und das richtige Frequenzband spielen dabei eine zentrale Rolle.

LoRaWAN baut auf LoRa auf und verwaltet die Netzwerkarchitektur sowie die Kommunikationsprotokolle. Es sorgt dafür, dass die Sensordaten effizient und sicher durch das Wide Area Network (WAN) geleitet werden.

Ein LoRaWAN besteht aus vier Hauptkomponenten: Knoten (Sensoren), Gateways, einem Applikationsserver und einem zentralen Netzwerkserver.

Endgeräte wie Sensoren und Aktoren sammeln Daten aus der Umgebung. So können beispielsweise Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftqualität überwacht werden. LoRa-Nodes sammeln und verarbeiten die Daten dieser Endgeräte. Sie fungieren als Funk-Sender, die mittels LoRa-Funksignalen die aufbereiteten Daten an ein LoRa-Gateway übertragen.

Die Gateways fungieren als Brücke und leiten die Daten an den zentralen Netzwerkserver weiter. Diese Gateways sind in der Regel an festen Standorten installiert. Der Network Server verwaltet die Netzwerkkommunikation und sorgt für die korrekte Weiterleitung der Datenpakete an den Application Server, wo die eigentliche Verarbeitung stattfindet.

Die Authentifizierung und Autorisierung der LoRa-Knoten wird vom Network Server verwaltet. Er stellt sicher, dass nur autorisierte Endgerätedaten empfangen werden. Der Network Server verwaltet auch die Session Keys. Diese werden zur Ver- und Entschlüsselung der Datenpakete verwendet.

Der Applikationsserver fungiert als Schnittstelle zwischen der Anwendungssoftware und dem LoRaWAN-Netz. Hier findet die Datenverarbeitung, die Anwendungslogik, die Datenspeicherung sowie die Datenintegration in andere Systeme wie CRM, SCM und ERP statt.

Für die Kommunikation zwischen den Servern werden gängige Protokolle wie REST und MQTT verwendet. Diese ermöglichen eine einfache Integration der LoRaWAN-Daten in IoT-Plattformen.

LoRaWAN legt großen Wert auf Sicherheit und verwendet dafür zwei Verschlüsselungsebenen: die Netzwerk- und die Anwendungsebene.

Netzwerksicherheit

Auf der Netzwerkebene kommt das AES-Verfahren (Advanced Encryption Standard) zum Einsatz. Hier kommen spezielle Sicherheitsschlüssel zum Einsatz, die die Daten während der Übertragung schützen. Jede Nachricht, die zwischen den Endgeräten und dem Netzwerkserver gesendet wird, wird verschlüsselt, um unbefugten Zugriff zu verhindern.

Anwendungssicherheit

Neben der Netzwerksicherheit bietet LoRaWAN auch eine Ende-zu-Ende-Verschlüsselung auf Anwendungsebene. Das bedeutet, dass die Daten vom Endgerät bis zum Anwendungsserver verschlüsselt bleiben. Diese Verschlüsselungsschicht schützt die Daten zusätzlich, selbst wenn das Netzwerk kompromittiert wird.

Kennungen und Schlüssel

LoRaWAN verwendet den IEEE EUI64 Identifier, um Endgeräte im Netzwerk eindeutig zu identifizieren. Um sicherzustellen, dass nur autorisierte Geräte Zugriff auf das Netzwerk und die übertragenen Daten haben, werden Sicherheitsschlüssel benötigt. Diese Schlüssel werden sicher verwaltet und regelmäßig aktualisiert, um ein Höchstmaß an Sicherheit zu gewährleisten.

Es gibt drei Geräteklassen für LoRaWAN-Endgeräte: Klasse A, B und C. Klasse A ist ideal für maximale Energieeffizienz, Klasse B für geplante Empfangszeiten und Klasse C für maximale Verfügbarkeit. Diese Klassen ermöglichen es, LoRaWAN optimal an die spezifischen Anforderungen der Anwendung anzupassen.

Klasse A

Bidirektionale Endgeräte der Klasse A senden Daten (Uplink) und öffnen anschließend zwei kurze Empfangsfenster für Downlink-Nachrichten. Diese Geräte sind besonders energieeffizient und eignen sich für Anwendungen mit langen Uplink-Intervallen.

Terminals der Klasse A sind ideal für die Umweltüberwachung, die Verfolgung von Tieren, die Erkennung von Waldbränden, die Erkennung von Wasserlecks, intelligentes Parken, Asset-Tracking und Abfallmanagement. Durch ihren sehr niedrigen Stromverbrauch erreichen sie eine lange Batterielebensdauer, haben aber eine hohe Downlink-Latenz.

Klasse B

Geräte der Klasse B erweitern die Funktionen der Klasse A um geplante Empfangszeitfenster. Diese Endgeräte synchronisieren sich mit dem Netzwerk, indem sie zusätzliche Empfangsfenster zu festgelegten Zeiten öffnen. Durch diese geplanten Zeitfenster kann der Netzwerkserver besser vorhersagen, wann ein Gerät empfangsbereit ist. Dies ist nützlich für Anwendungen, die eine regelmäßige und vorhersehbare Kommunikation erfordern.

Klasse-B-Endgeräte sind nützlich für Anwendungen wie Versorgungszähler (Stromzähler, Wasserzähler usw.) und Straßenbeleuchtung. Sie haben eine kürzere Batterielebensdauer als Klasse-A-Endgeräte, bieten aber regelmäßigere Kommunikationsfenster.

Klasse C

Geräte der Klasse C bieten die höchste Verfügbarkeit für bidirektionale Kommunikation. Sie haben fast ständig offene Empfangsfenster, außer während des Sendens. Diese Endgeräte sind für Anwendungen geeignet, die eine kontinuierliche Verbindung und sofortige Datenübertragung erfordern.

Der höhere Energieverbrauch wird durch die erhöhte Empfangsbereitschaft und die schnelle Reaktionsfähigkeit ausgeglichen. Endgeräte der Klasse C sind ideal für Versorgungszähler, Straßenbeleuchtung, Lichtsignalanlagen und Alarmsysteme.

Der weltweite IoT-Markt für LoRa und LoRaWAN wächst rasant. Laut einem Bericht der Marktforschungsplattform „Market and Markets“ wird zwischen 2024 und 2029 ein Wachstum von 32,4 Prozent erwartet.

Dieses beeindruckende Wachstum spiegelt das steigende Interesse und die zunehmende Akzeptanz dieser Technologien wider. Vor allem in der Industrie und in Smart Cities gewinnt LoRaWAN zunehmend an Bedeutung. Die chinesische Regierung setzt stark auf LoRaWAN-Infrastrukturen. Bis 2025 sollen mehr als 600.000 LoRaWAN-Basisstationen installiert werden.

Laut einem Bericht des globalen Beratungsunternehmens Research Nester werden öffentliche LoRaWAN-Netze zwischen 2019 und 2021 um 66 Prozent wachsen. Dieses Wachstum zeigt, wie schnell sich LoRaWAN-Netze weltweit ausbreiten. Öffentliche Netzbetreiber investieren zunehmend in diese Technologie, um eine zuverlässige und flächendeckende Versorgung zu gewährleisten.

Der Hardwarebereich für LoRaWAN wird bis 2036 mit 48 Prozent den größten Marktanteil haben. Gleichzeitig wird das Segment Smart Cities bis 2036 mit 55 Prozent den größten Anteil ausmachen. Diese Zahlen verdeutlichen, dass sich sowohl die technologische Basis als auch die Anwendungsbereiche von LoRaWAN stark erweitern werden.

LPWAN LoRa Netzwerke profitieren von einer verbesserten Reichweite in verschiedenen Anwendungen.

Intelligente Versorgungsunternehmen (Smart Utilities)

LoRaWAN ermöglicht die Fernüberwachung von Gaszählern und Leckagen, liefert Echtzeitdaten zur Netzoptimierung und Fehlererkennung in der Stromversorgung, liefert genaue Daten zu Wasserverbrauch und -qualität und ermöglicht eine effiziente Steuerung und Energieeinsparung bei der Heizung.

Smart City

In Smart Cities spielt LoRaWAN eine Schlüsselrolle. Es überwacht die Luft- und Wasserqualität, optimiert die Nutzung von Parkflächen, sorgt mit vernetzten Sensoren für Sicherheit im Smart Home, steuert die Straßenbeleuchtung effizienter und verbessert das Abfallmanagement durch Echtzeitdaten.

Industrie

In der Industrie bietet LoRaWAN vielfältige Lösungen. Die Öl- und Gasindustrie profitiert von Predictive Maintenance und Condition Monitoring. Arbeitssicherheit und Produktionseffizienz werden durch Echtzeitdaten verbessert. In der chemischen Verarbeitung sorgt LoRaWAN für ein sicheres Management. Stromerzeugung und -übertragung werden durch kontinuierliche Überwachung optimiert.

Intelligente Gebäude

LoRaWAN optimiert auch Smart Buildings. Die Gebäudesicherheit wird durch vernetzte Alarmsysteme erhöht. Predictive Maintenance verhindert Ausfälle und senkt Wartungskosten. Schädlingsüberwachung und Raumoptimierung verbessern die Gebäudenutzung. Heizung und Klimatisierung werden effizient gesteuert.

Logistik

In der Logistik bietet LoRaWAN Lösungen wie Asset Tracking und Flottenmanagement. Die Intralogistik wird durch Echtzeitüberwachung optimiert. Die Echtzeit-Überwachung von Gütern sorgt für eine sichere und effiziente Lieferkette.

Landwirtschaft

In der Landwirtschaft ermöglicht LoRaWAN die Überwachung des Viehbestands und die Steuerung der Bewässerung. Umwelt- und Bodenüberwachung liefern wertvolle Daten zur Optimierung des Anbaus. Asset Management sorgt für den effizienten Einsatz von Geräten und Ressourcen.

LoRaWAN bietet zahlreiche Vorteile wie hohe Reichweite, Energieeffizienz, hohe Kapazität, flexible Netzwerkoptionen und robuste Sicherheit.

Hohe Reichweite und Abdeckung

LoRaWAN bietet eine hohe Reichweite, ideal für die Abdeckung abgelegener und nicht zellularer Gebiete. Dies macht es zu einer geeigneten Lösung für ländliche und abgelegene Gebiete, in denen herkömmliche Mobilfunknetze nicht verfügbar sind.

Energieeffizienz

LoRaWAN ist äußerst energieeffizient. Die Geräte können jahrelang mit einer einzigen Batterie betrieben werden. Durch den geringen Energieverbrauch eignet es sich für Anwendungen, die eine lange Lebensdauer der Geräte erfordern, wie z.B. Umweltüberwachung und Smart Cities.

Hohe Kapazität

LoRaWAN-Netze können eine große Anzahl von Geräten unterstützen. Dies bedeutet, dass viele Sensoren und Endgeräte in einem einzigen Netzwerk betrieben werden können, was besonders für groß angelegte IoT-Implementierungen nützlich ist.

Flexible Netzwerkoptionen

LoRaWAN bietet flexible Netzwerkmöglichkeiten. Es kann sowohl in öffentlichen als auch in privaten Netzen eingesetzt werden, was eine Anpassung an unterschiedliche Geschäftsmodelle und Anforderungen ermöglicht.

Robuste Sicherheit und gesicherte Datenübertragung

LoRaWAN legt großen Wert auf robuste Sicherheit. Es bietet eine sichere Datenübertragung durch Verschlüsselung und Authentifizierung, die den Schutz sensibler Informationen gewährleistet. Firmware-Updates können „over the air“ durchgeführt werden, was die Wartung und Aktualisierung der Geräte erleichtert.

LoRaWAN bietet gegenüber anderen Funktechnologien wie SIGFOX, NB-IoT, LTE-M, mioty, Bluetooth und WLAN Vorteile hinsichtlich Reichweite und Energieeffizienz. Es eignet sich besonders für großflächige und energieeffiziente IoT-Anwendungen.

LoRaWAN vs. Sigfox

Sowohl LoRaWAN als auch SIGFOX sind LPWAN-Technologien. LoRaWAN unterstützt flexible Netzwerkoptionen und kann viele Geräte in einem Netzwerk betreiben. Sigfox verwendet eine proprietäre Technologie und benötigt spezielle Gateways.

LoRaWAN vs. NB-IoT und LTE-M

NB-IoT und LTE-M sind mobilfunkbasierte LPWAN-Technologien. Sie bieten höhere Datenraten und sind für Anwendungen mit größeren Datenmengen geeignet. LoRaWAN hat einen geringeren Energieverbrauch und eine größere Reichweite, wodurch es sich für Anwendungen mit langen Batterielaufzeiten und in abgelegenen Gebieten eignet.

LoRaWAN vs. mioty

Mioty ist eine neuere LPWAN-Technologie, die auf Telegram-Splitting basiert und eine hohe Störfestigkeit und Skalierbarkeit bietet. LoRaWAN ist weit verbreitet und wird von einer großen Community unterstützt, was die Entwicklung und Implementierung erleichtert.

LoRaWAN vs. Bluetooth

Bluetooth ist ideal für kurze Distanzen und hohe Datenraten, eignet sich aber nicht für große IoT-Netzwerke. LoRaWAN bietet eine größere Reichweite und einen geringeren Stromverbrauch, wodurch es sich für Anwendungen mit langen Reichweiten eignet.

LoRaWAN vs. WLAN

WLAN verbraucht etwa dreimal so viel Energie wie ein typisches LoRaWAN-Modul. WLAN eignet sich für energieintensive Anwendungen, während LoRaWAN besser für Anwendungen mit geringem Energieverbrauch und großer Reichweite geeignet ist.

Die LoRa Alliance hat einen Strategieplan für die Weiterentwicklung von LoRaWAN entwickelt. Ziel ist es, die Technologie zu optimieren und neue Anwendungsfelder zu erschließen. Der Fokus liegt auf der Verbesserung der Infrastruktur und der Einführung neuer Funktionen.

LoRaWAN wird durch eine verbesserte Konnektivität für Nicht-Terrestrische Netze (NTN) optimiert, zum Beispiel durch das Long Range Frequency Hopping Spread Spectrum (LR-FHSS). Diese Technologie erhöht die Netzwerkkapazität und ermöglicht den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen durch verbesserte Relais, die die Signalreichweite erhöhen.

LoRaWAN ist auf Hyperskalierbarkeit ausgelegt, um die Bereitstellung und Verwaltung von Geräteprofilen zu erleichtern. Die Integration von GS1-kompatiblen Identifikatoren wie RFID und Barcodes ermöglicht eine effiziente Produkt- und Asset-Identifikation. Neue Geräte können automatisch über LoRaWAN-Netzwerke integriert werden, wobei das Geräteprofil über eine Standard-API aus einem Online-Repository abgerufen wird.

Das Management der Kernnetze wird durch standardisierte Applikationsserver und Gateway-Schnittstellen verbessert. Dies erhöht die Gerätekompatibilität und erleichtert die Integration verschiedener Komponenten in das Netzwerk.

Die LoRaWAN-Zertifizierung stärkt das Kundenvertrauen durch Firmware-Updates per Funk und erweiterte Kompatibilitätstests. Diese Tests stellen sicher, dass Geräte verschiedener Hersteller effektiv zusammenarbeiten können. Durch die Zertifizierung wird die Leistungsfähigkeit und Kompatibilität der Endgeräte überprüft, wodurch das Vertrauen der Endnutzer in die Technologie gestärkt wird.

Die physikalische und die Verbindungsschicht von LoRaWAN werden durch die Einführung von Kryptoagilität weiterentwickelt. Dies ermöglicht die Nutzung und Verbesserung aktueller und zukünftiger Kryptoprotokolle, die die Sicherheit und Leistungsfähigkeit der LoRaWAN-Verbindungsschicht ergänzen.