Was ist LoRaWAN?
LoRaWAN steht für „Long Range Wide Area Network“ und bezeichnet ein energieeffizientes Kommunikationsprotokoll mit sehr großer Reichweite, das speziell für das Internet of Things (IoT) entwickelt wurde und auf der LoRa-Funktechnologie basiert. LoRaWAN bietet somit die Möglichkeit, Daten energiesparend über große Entfernungen zu übertragen.
Es gehört zu den sogenannten LPWAN Technologien (Low Power Wide Area Networks, LoRaWAN Alliance) und überzeugt durch eine Batterielebenszeit von bis zu 10 Jahren, anhängig vom Sensortyp und der Häufigkeit der Datenübertragung.
Mit LoRaWAN können – je nach Umgebung und äußeren Einflüssen – Distanzen von bis zu 15 Kilometern überbrückt werden, was eine hohe Netzabdeckung ermöglicht. Ein weiterer großer Vorteil ist die ausgezeichnete Gebäudedurchdringung. Die Kombination aus geringer Leistungsaufnahme und großer Reichweite schränkt allerdings die maximale Datenrate auf 50 kbit/s ein.
LoRaWAN wird im ISM-Band (Frequenzbereich von 867 bis 869 MHz) betrieben und kann in Deutschland bundesweit lizenzfrei genutzt werden. Im Vergleich zu anderen Funktechnologien wie Mobilfunk oder WLAN ist LoRaWAN daher besonders wirtschaftlich. Diese Eigenschaften machen LoRaWAN zu einer idealen Technologie für das Internet der Dinge (IoT).
Was ist LPWAN?
Low Power Wide Area Networks (LPWANs) werden oftmals auch als Low Power Network (LPN) bezeichnet und sind Funknetze, die einen großen geografischen Bereich abdecken. Sie wurden speziell für die Anwendungsfälle des Internet of Things (IoT) entwickelt, dienen zur Übertragung von kleinen IoT-Datenpaketen und zeichnen sich durch einen geringen Energieverbrauch aus.
Solche Funknetze eignen sich sehr gut, um die Herausforderungen der Datenübertragung in einer Stadt, Gemeinde oder innerhalb eines Gebäudes zu gewährleisten. Sensoren und Aktoren können, meist batteriebetrieben, über mehrere Jahre IoT-Daten senden oder empfangen. Zu den bekanntesten Technologien zählen LoRaWAN, Sigfox, EnOcean oder NB-IoT, die alle sehr ähnliche Charakteristika aufweisen.
Was ist der Unterschied zwischen LoRa und LoRaWAN?
LoRaWAN beschreibt das Standardkommunikationsprotokoll und die Systemarchitektur für das gesamte Netzwerk und ermöglicht die einheitliche Kommunikation der einzelnen Netzwerkteilnehmer untereinander. So können LoRaWAN-fähige Produkte ohne Probleme in ein bereits bestehendes LoRaWAN integriert werden.
LoRa hingegen bezeichnet die physikalische Funktechnik, die von der Semtech Corporation entwickelt wurde und die energieeffiziente und weitreichende (long range) Kommunikation ermöglicht. LoRa wird nur zwischen Node (beispielsweise einem Sensor) und dem Gateway verwendet. Das Gateway hingegen kommuniziert in der Regel über LTE/LAN mit dem Netzwerkserver und stellt die Daten dem Internet of Things zur Verfügung.
Das Kommunikationsprotokoll sowie die Systemarchitektur haben dabei den größten Einfluss auf die Batterielebensdauer eines Endgerätes (Node), der Netzwerkkapazität, der Sicherheit und der Vielfalt der vom Netzwerk bedienten Anwendungen.
Wie ist LoRaWAN aufgebaut?
In einem LoRa Wide Area Network finden sich typischerweise drei Komponenten wieder:
– LoRa Nodes,
– LoRa Gateways und
– LoRa Server.
Diese sind in der Regel in einer Sterntopologie angeordnet. Nodes sind Endgeräte wie Sensoren oder Aktoren und übermitteln Datenpakete an LoRa Gateways, welche die gesammelten Informationen wiederum an einen LoRaWAN Server senden. Die Daten werden dabei vom Endgerät verschlüsselt und erst auf dem Server bzw. in der Applikation entschlüsselt. Die Kommunikation erfolgt in der Regel bidirektional. Die Gateways hingegen kommunizieren nicht über LoRa sondern werden über eine Standard-IP-Verbindung mit dem Netzwerkserver verbunden.
LoRa-Netzwerkserver (LNS)
Der LoRa-Netzwerkserver übernimmt eine Vielzahl an Aufgaben. So verwaltet dieser die verwendete Datenrate für jedes Endgerät im Netzwerk individuell mittels eines adaptiven Datenraten-Algorithmus (ADR). Die Auswahl der idealen Datenrate ist ein Kompromiss zwischen der Dauer der Nachrichtenübertragung und dem Empfangsbereich. Die LoRaWAN Datenraten reichen dabei von 0,3 kbit/s bis hin zu 50 kbit/s. Das maximiert die Batterielebensdauer der Endgeräte und ermöglicht somit den energieeffizienten Betrieb. Da die gesendeten Datenpakete von Endgeräten nicht zwangsläufig nur von einem Gateway empfangen und an den Server weitergeleitet werden, muss der Server die redundanten Daten herausfiltern und überflüssige Datenpakete löschen. Das macht die Datenübertragung in einem LoRaWAN sehr sicher. Auch das erneute Verschlüsseln von Nachrichten an Endgeräte gehört zu den Aufgaben des Netzwerkservers und sorgt für Sicherheit.
LoRa-Endgeräte
Klasse-A-Endgeräte
Die Kommunikation mit Endgeräten der Klasse A funktioniert nach der ALOHA-Methode. Nach jedem gesendeten Datenpaket (Uplink) an das Gateway, stehen zwei Empfangsfenster (Downlink) zur Verfügung, in denen das Endgerät für den Datenempfang bereitsteht. Hier besteht die Möglichkeit, Informationen wie Geräteparameter aus der Applikation zum Endgerät zu übertragen. Nach der Kommunikation schalten Endgeräte der Klasse A in den Energiesparmodus und werden erst zum nächsten Uplink-Intervall reaktiviert. Das kann zur Folge haben, dass geänderte Werte erst nach längerer Zeit mit einer Latenz in das Endgerät geschrieben werden. Auf der anderen Seite macht dies Endgeräte der Klasse A zu den energieeffizientesten Geräten mit sehr langer Batterielebensdauer. Typische Beispiele für Endgeräte der Klasse A sind Fensterkontakte oder Füllstands- und Leckagesensoren.
Klasse-B-Endgeräte
Zusätzlich zu den Übertragungsfenstern von Klasse A Geräten, öffnen Endgeräte der Klasse B weitere Empfangsfenster (Downlinks) zu vordefinierten Zeiten. Aufgrund dieser vordefinierten Zeitfenster ist die maximale Latenz auf bis zu 128 Sekunden programmierbar. So wird sichergestellt, dass spätestens nach einer festgelegten Zeit ein Empfangsfenster geöffnet wird und Daten geschrieben werden können. Die höhere Empfangskapazität sorgt für zusätzlichen Energieverbrauch durch das Endgerät. Dennoch können batteriebetriebene Anwendungen problemlos mit Klasse B Geräten realisiert werden. Typische Beispiele für Endgeräte der Klasse B sind Temperatur- und Feuchtesensoren.
Klasse-C-Endgeräte
Endgeräte der Klasse C haben ein permanent geöffnetes Empfangsfenster, sofern die Geräte nicht selbst senden, und weisen somit die geringste Latenz unter den LoRa Endgeräten auf. Das wiederum sorgt jedoch für einen erhöhten Energiebedarf. Je nach Anwendungsfall und Endgerät werden Klasse C Geräte teilweise auch über eine externe Spannungsversorgung betrieben. Ein typisches Beispiel hierfür sind IO-Module.
Wie funktioniert LoraWAN?
LoraWAN funktioniert mit der LoRa-Technologie: LoRa verwendet eine spezielle Modulationstechnik namens Chirp Spread Spectrum (CSS), die eine hohe Empfindlichkeit und Reichweite ermöglicht. Je nach Umgebung und Topographie können die Signale Distanzen von mehreren Kilometern überbrücken.
CSS ist eine Modulationstechnik, bei der die Frequenz des Signals kontinuierlich variiert beziehungsweise “chirpt”.
Diese Technik hat mehrere Vorteile:
- Hohe Reichweite: CSS ermöglicht die Übertragung von Signalen über große Entfernungen, oft mehrere Kilometer –, auch in städtischen Gebieten.
- Geringer Energieverbrauch: Die Modulation ist sehr energieeffizient, was die Batterielebensdauer der Endgeräte verlängert.
LoRaWAN in der Gebäudeautomation
In der Gebäudeautomation und speziell bei Smart Buildings steht die Datentransparenz im Mittelpunkt, um Gebäude möglichst energieeffizient betreiben zu können. LoRaWAN wurde für die Anforderungen des Internet of Things (IoT) entwickelt und besticht mit hoher Funkreichweite und exzellenter Gebäudedurchdringung. So können sogar ganze Firmengebäude mit dazugehörigem Betriebsgelände von nur einem Gateway abgedeckt werden. Auch der oftmals schwer in Wireless Netzwerke zu integrierende Keller stellt für LoRa Funknetze kein Problem dar. Aufgrund der geringen Datenmengen, die IoT-Sensoren und -Aktoren konsumieren, können nahezu beliebig viele Sensoren über ein einziges Gateway mit dem Netzwerkserver kommunizieren. Das macht die Integration von LoRa Funksensoren sehr günstig, da weder eine Vielzahl an Gateways noch an Repeatern benötigt werden.
Zusätzlich ermöglicht die Low-Power-Datenübertragung den energieeffizienten Betrieb von LoRa-Sensoren und LoRa-Aktoren mit Batterien. Dabei können diese eine Batterielaufzeit von bis zu 15 Jahren haben. Das reduziert die Wartungsaufwände im Facility Management auf ein Minimum und macht gerade das Nachrüsten in Bestandsgebäuden zum Kinderspiel, da keine Kabel nachträglich gezogen werden müssen. Zur Integration in ein bestehendes Gebäudeautomationssystem verfügen einige LoRa-Gateways bereits über standardisierte GA-Schnittstellen wie zum Beispiel Modbus. So können gesammelte Daten von LoRa-Endgeräten einfach zurück in die gebäudetechnische Regelung fließen. Diese Kommunikation funktioniert bidirektional und ermöglicht eine einfache und kostengünstige Integration.
LoRaWAN-Anwendungsbeispiele im Gebäude
LoRaWAN hat klare Vorteile und nimmt stetig an Beliebtheit und Bedeutung zu. Doch wofür genau sollten LoRaWAN-Lösungen im Bereich der Gebäudeautomation eingesetzt werden? Mit Anwendungsbeispielen aus dem Bereich Smart Building stellen wir einige der interessantesten Anwendungsfälle vor.
Vorteile von LoRaWAN
LoRaWAN im Vergleich zu anderen Funktechnologien
LoRaWAN bietet im Vergleich zu anderen Funktechnologien wie Wi-Fi, Bluetooth und Mobilfunknetzen einzigartige Vorteile, insbesondere für Anwendungen im Bereich des Internets der Dinge (IoT). Der größte Vorteil von LoRaWAN liegt in seiner Reichweite und Energieeffizienz. Mit einer Reichweite von bis zu 15 Kilometern in ländlichen Gebieten und extrem niedrigen Energieanforderungen eignet es sich ideal für IoT-Geräte, die über lange Zeiträume hinweg unabhängig arbeiten müssen.
Im Gegensatz dazu haben Technologien wie Wi-Fi und Bluetooth eine wesentlich geringere Reichweite und höheren Energieverbrauch, was sie weniger geeignet für großflächige IoT-Netzwerke macht. Mobilfunktechnologien wie LTE oder 5G bieten zwar eine höhere Bandbreite und Geschwindigkeit, verbrauchen jedoch deutlich mehr Energie und sind oft teurer in der Implementierung. LoRaWAN punktet besonders in Anwendungen, bei denen es auf eine weite Abdeckung und lange Batterielaufzeit ankommt, wie bei Smart Cities oder der Überwachung von Umweltparametern.
Ist LoRaWAN kostenlos?
LoRaWAN selbst ist eine offener Standard und die Nutzung der LoRa-Funktechnologie in den lizenzfreien ISM-Bändern ist kostenlos. Allerdings fallen Kosten für die Hardware (Endgeräte und Gateways), möglicherweise für Netzwerkserver und für kommerzielle Dienste an. Für viele Anwendungen kann LoRaWAN kosteneffektiv sein, insbesondere wenn bestehende Open-Source- und Community-Ressourcen genutzt werden.
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