Long Range Wide Area Network

Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) ist ein Low-Power-Wireless-Netzprotokoll auf der Ebene der Vermittlungsschicht (engl. network layer). Die LoRaWAN-Spezifikationen werden von der LoRa Alliance festgelegt. Sie sind frei verfügbar und Software-Grundmodule sind als Open-Source-Software verfügbar.[1] LoRaWAN nutzt das proprietäre, patentierte, leitungslose „LoRa“-Übertragungsverfahren auf der Bitübertragungsschicht (engl. physical layer).

Aufbau
Architektur LoRaWAN

Die LoRa-Wide-Area-Network-Architektur ist sternförmig. LoRa-Endgeräte kommunizieren mit LoRa-Gateways, welche die Datenpakete an einen LoRaWAN-Server senden. Dieser Server verfügt über Schnittstellen für IoT-Plattformen und -Applikationen. Die Kommunikation im LoRaWAN ist zweifach mit 128 bit AES verschlüsselt, zum einen bis zum Netzserver und zum anderen bis zum Anwendungsserver.

Bidirektionale Varianten der Endgeräte
Klasse A
Die Kommunikation funktioniert nach dem ALOHA-Zugriffsverfahren. Dabei sendet das Gerät seine erzeugten Datenpakete an das Gateway, gefolgt von zwei Download-Receive-Fenstern, die für einen Datenempfang genutzt werden können. Ein erneuter Datentransfer kann nur durch das Endgerät bei einem erneuten Upload initiiert werden.
Klasse B
Klasse-B-Endgeräte öffnen Download-Receive-Fenster zu festgelegten Zeiten. Dazu empfängt das Endgerät ein zeitgesteuertes Beacon-Signal vom Gateway. So weiß der Netzwerk-Server, wann das Endgerät bereit ist, um Daten zu empfangen.
Klasse C
Bei Endgeräten der Klasse C besteht ein permanent geöffnetes Download-Receive-Fenster. Somit sind Endgeräte der Klasse C nahezu permanent aktiv.

LoRa

Endgeräte und Gateways im LoRaWAN nutzen ein proprietäres und patentiertes Übertragungsverfahren, basierend auf einer Chirp-Spread-Spectrum-Modulationstechnik mit der Bezeichnung „LoRa“ der Semtech Corporation.[2] LoRa ist ein leitungsloses Übertragungsverfahren auf der Bitübertragungsschicht (engl. physical layer). Es ist asymmetrisch und auf Energieeffizienz für Reichweiten über 10 km für die Uplink-Kommunikation (also das Senden vom Endgerät an das Netz) ausgerichtet. Die Datenübertragungsrate reicht von 292 bit/s bis 50 kbit/s. Verschiedene Betriebsabstufungen bis hin zu quasi-kontinuierlicher Downlink-Kommunikation sind möglich – letzteres geht auf Kosten der Energieeffizienz. So spricht etwa die LoRa Alliance auch von Low Power Wide Area Networks.

LoRa nutzt regional unterschiedliche Frequenzbereiche im ISM- und im SRD-Band, darunter in Europa das Frequenzband von 433,05 bis 434,79 MHz (ISM-Band Region 1) und von 863 bis 870 MHz (SRD-Band Europa). In Nordamerika ist das Frequenzband von 902 bis 928 MHz (ISM-Band Region 2) dafür freigegeben.[3][4]

Die Reichweiten erstrecken sich von 2 km in Stadtgebieten bis zu 40 km in ländlichen Gebieten. Ein großer Vorteil ist die Gebäude-Durchdringung, so dass auch Keller erreicht werden können. Der Strombedarf in Endgeräten beträgt rund 10 mA im Betriebs- und 100 nA im Ruhemodus. Das ermöglicht bei Vernachlässigung der Selbstentladung eine Batterielebensdauer von 2 bis 15 Jahren. Die Kommunikation zwischen Endgerät und Gateway erfolgt auf verschiedenen Frequenzkanälen mit Datenraten von 0,3 bis 50 kbit/s. Die öffentlichen Frequenzen sollen nicht überlastet werden; deshalb sollen Lora-Nodes (EndDevices) möglichst nicht mehr als eine Nachricht pro ca. 5 min senden.[5] Damit ist der Einsatz für Realtimeanwendungen limitiert.

Die Frequenzspreizung ermöglicht eine hohe Effizienz bei Datentransfer und Energieverbrauch. Interferenzen werden dadurch minimiert. Die Datentransferrate zum Endgerät kann durch den LoRaWAN-Netzserver je nach Bedarf angepasst werden (ADR = Adaptive Data Rate).

Funktechnik

Die Halbleiter-Chip-basierte (englisch IC für „integrated circuit“) LoRa-Hochfrequenz-Funktechnik (englisch RF für „radio frequency“) ist ein Lizenz-Produkt der Semtech Corporation (Nasdaq: SMTC). LoRa und LoRaWAN sind geschützte Marken von Semtech.[6]

LoRa Alliance

Die LoRa Alliance ist ein gemeinnütziger Verein, der sich zum Ziel gesetzt hat, durch die Entwicklung und Förderung des offenen LoRaWAN-Standards die Bereitstellung von LPWAN-IoT (Low Power Wide Area Networks) in großem Maßstab zu ermöglichen. Sie standardisiert und akkreditiert Zertifizierungsschemata um das Funktionieren und die Skalierung von LoRaWAN-Netzwerken sicherzustellen.[7]

Literatur
  • Claus Kühnel: Einfache LoRaWAN-Knoten für das IoT mit Update für The Things Stack Community Edition. Skript Verlag Kühnel, 2021, ISBN 978-3-907857-43-4.

Einzelnachweise
  1. Michael Eckstein: LoRa-IoT-Software wird Open-Source – zumindest teilweise. Elektronikpraxis, 3. Mai 2019, abgerufen am 26. Mai 2019.
  2. Patent US7791415B2: Fractional-N synthesized chirp generator. Angemeldet am 16. Mai 2008, veröffentlicht am 7. September 2010, Anmelder: Semtech Corp, Erfinder: Craig A. Hornbuckle.
  3. https://docs.wixstatic.com/ugd/eccc1a_ed71ea1cd969417493c74e4a13c55685.pdf LoRa Alliance - What is LoRaWAN
  4. https://docs.wixstatic.com/ugd/eccc1a_20fe760334f84a9788c5b11820281bd0.pdf LoRa Alliance - LoRaWAN 101 – A Technical Introduction
  5. Limitations, auf thethingsnetwork.org
  6. New ABI Research White Paper Highlights Growth of LoRa and the LoRaWAN Open Protocol. In: Semtech. Semtech Corporation, abgerufen am 12. Februar 2021 (englisch).
  7. LoRa Alliance. In: LoRa Alliance. LoRa Alliance, abgerufen am 12. Februar 2021 (englisch).
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