LoRa / LoRaWAN - Long Range Wide Area Network

LoRa ist ein offener Funkstandard für ein Low Power Wide Area Network (LPWAN) für nur kleine Datenmengen und dafür eine hohe Reichweite. In allen LoRa-Sendern und -Empfängern kommen ausschließlich die Chips von Semtech zum Einsatz, weshalb der Betrieb eines solchen Netzwerks von einem einzigen Hersteller abhängig ist.

LoRaWAN ist die Bezeichnung für ein Funknetzwerk auf Basis von LoRa. LoRa und nutzt Frequenzbänder aus den lizenzfreien ISM-Bändern. Damit kann ein LoRaWAN eine Alternative oder Ergänzung zum klassischen Mobilfunknetz mit zentralem Netzbetreiber sein. Als Abgrenzung zum klassischen Mobilfunk wird ein LoRaWAN auch als 0G-Netz bezeichnet.

Da LoRa ein offener Funkstandard ist kann jeder ein LoRaWAN als IoT- oder M2M-Netzwerk mit bidirektionaler Kommunikation aufbauen oder eine Community-basierte Lösung nutzen.

Hinweis: Zu beachten ist, dass LoRaWAN in den USA ungleich zu LoRaWAN EU ist. Das hat Einfluss auf die Übertragungsrate und damit auch auf den Energieverbrauch.

Eigenschaften

  • Verbindung: Uplink-orientiert, bidirektional, Quittungsbetrieb möglich
  • Modulation: Chirp-Spread-Spectrum und FSK
  • Netzarchitektur: Die Endgeräte kommunizieren mit Gateways, welche die Datenpakete an einen Server übermitteln. Der Server verfügt über Schnittstellen für die Anbindung an IoT-Plattformen und -Applikationen.
  • Frequenzbereiche: In Europa 868 MHz (863–870 MHz, unterteilt in mehrere Subbänder) und in den USA 915 MHz. Die Kanalnutzungsdauer ist in vielen Ländern regulatorisch begrenzt (Arbeitszyklus).
  • Reichweite: Je nach Topografie bis 2 km in Stadtgebieten und bis 15 km in ländlichen Gebieten. Dabei wird eine gute Durchdringung von Gebäuden erreicht.
  • Energieverbrauch: Zwischen 10 mA und 100 nA im Ruhemodus. Je nach Anwendungsfall beträgt die Batterielebensdauer 2 bis 15 Jahre.
  • Funkkanalbandbreite: 125 kHz
  • Empfindlichkeit: -137 dBm
  • Sendeleistung: +20 dBm bzw. maximal 25 mW
  • Datenpakete: EU: max. 51 Byte / USA: max. 11 Byte Nutzdaten pro Paket
  • Übertragungsrate: zwischen 250 Bit/s und 50 kBit/s

Übertragungstechnik

Um eine hohe Effizienz bei Datentransfer und Energieverbrauch zu erreichen, nutzt LoRaWAN eine Frequenzspreizung. Dadurch können Interferenzen weitestgehend vermieden und schmalbandige Störungen umgangen werden.

Das Übertragungsverfahren heißt „Chirp Spread Spectrum“. Hierbei erfolgt die Signalübertragung als eine Art Zirpen. Dabei wird der Zirp-Impuls über einen großen Frequenzbereich gespreizt. Wahlweise kann die Bandbreite für eine hohe Datenrate oder eine robuste Übertragung genutzt werden. Der Spreizfaktor (Spread Factor) und die Bandbreite bestimmen, wie hoch die Datenrate sein kann und wie hoch die Empfangswahrscheinlichkeit ist.

Signale, die mit verschiedenen Spreizungsfaktoren moduliert und über denselben Frequenzkanal übertragen werden, stören sich nicht gegenseitig. Die Orthogonalität der Spreizfaktoren ermöglicht gleichzeitiges Senden mehrerer Endgeräte im selben Kanal.
Die LoRa-Signale sind sehr robust gegen In-Band- und Out-of-Band-Interferenzen. Ihre Unempfindlichkeit gegen Mehrwegeempfang oder Fading sorgt in städtischen Gebieten für eine hohe Reichweite.

LoRaWAN-Netzarchitektur

LoRaWAN-Netzarchitektur

Die LoRaWAN-Netzarchitektur besteht aus vielen Endgeräten in Form von Sensoren und Aktoren, mehreren Gateways und einem zentralen Network Server. Die Endgeräte kommunizieren mit den Gateways. Und die Gateways sind mit dem Network Server verbunden. Der Network Server kommuniziert über verschiedene Protokolle (z.B. REST, MQTT, usw.) mit einer Anwendung, die zum Beispiel als Applikation in der Cloud betrieben wird.

In einem LoRaWAN sind Gateways die Empfänger für die Funksignale bei 868 MHz. Hier empfangen die LoRa-Chips die Zirp-Signale. Auf der anderen Seite sind die Gateways mit dem Internet verbunden.
Die Gateways eines LoRaWAN bilden im Optimalfall ein engmaschiges Netz und können über die ganze Welt verteilt sein.

Eine Nachricht kann von einem oder mehreren Gateways empfangen werden. Die Gateways leiten diese ohne weitere Eingriffe an die Network Server weiter.
In einem LoRaWAN sind die Network Server dafür zuständig, den Absender zu identifizieren und das Paket an einen Application Server weiterzuleiten.
Der Network Server kümmert sich unter anderem darum, dass eine Nachricht nur einmal beim Application Server ankommt, egal wieviele Gateways diese empfangen haben.

Private oder Community Network

Grundsätzlich kann jeder ein eigenes LoRaWAN betreiben. Da LoRa im zuteilungsfreien Frequenzbereich arbeitet sind keine Lizenzkosten für Frequenzen notwendig.
Wer nur in einem beschränkten Bereich ein LoRaWAN aufbauen muss, für den kann der Betrieb eigener Gateways und Server sinnvoll sein.
Ist man jedoch auf ein weitflächiges Funknetz angewiesen, kann man sich auch am Community-basierten Netzwerk „The Things Network (TTN)“ beteiligen. Bei diesem Netz zum Mitmachen betreibt man nur ein eigenes Gateway, welches über das Internet mit den TTN-Servern spricht. Bezüglich der Sicherheit muss man nur dem Network Server vertrauen, dass er die empfangenen Datenpakete zustellt und dem Application Server, der die Inhalte entschlüsseln kann.

Reichweite

LoRa hat eine hohe Sensibilität von -137 dBm, was die Verfügbarkeit des Netzes erhöht. Die Signale durchdringen Gebäudemauern problemlos und erreichen so zum Beispiel auch Kellerräume oder andere, sogenannte Deep-Indoor-Standorte.

Die Reichweite zwischen Sender und Empfänger beträgt je nach Umgebung und Bebauung ca. 3 km (Stadt), ca. 6 km (Vororte) und bis zu 13 km (ländliche Gebiete).
Wie groß der Abstand zwischen LoRa-Sender und Empfänger sein darf, ist vom Spreading Factor, der Bandbreite, der gewählten Sendeleistung des LoRaChips und der verwendeten Antenne abhängig.

Übertragungsrate

Zur Maximierung der Batterielebensdauer und der Steuerung der Gesamtnetzkapazität (begrenzt durch regulatorische Vorgaben), steuert LoRa die Datenrate und den HF-Ausgang mittels adaptiver Datenrate (ADR) einzeln für jedes Endgerät.
Die Kommunikation zwischen Endgerät und Gateway erfolgt auf verschiedenen Frequenzkanälen mit unterschiedlichen Datenraten. Die Datenraten reichen von 0,3 bis 50 kBit/s. Die physikalische Paketgröße beträgt 64 Byte brutto. Für den Header werden 13 Byte benötigt. Es bleiben also 51 Byte für die Nutzdaten übrig.

Hinweis: In den USA ist die maximale Kanalbelegungszeit auf 400 ms begrenzt. Das führt dazu, dass nur maximal 11 Byte Nutzdaten pro Paket übertragen werden können.

Der SF12 (Spreizfaktor) bei 125 kHz (Bandbreite) kommt nur auf 250 Bit/s (Datenrate). Dafür nimmt der Empfänger den Zirp-Impulse mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit wahr, weil es ihm vergleichsweise leicht fällt, die Signale vom Rauschen zu unterscheiden.
Die schnellste spezifizierte Kombination ist SF7 bei 250 kHz Bandbreite. Damit kommt man auf 11.000 Bit/s.

Energieverbrauch

Das LoRa-Modulationsverfahren ermöglicht eine optimale Sendeleistung bei möglichst niedriger Leistungsaufnahme durch den Transmitter. Der geringe Energieverbrauch ermöglicht eine Lebensdauer der Batterie von bis zu 15 Jahre.
Das vereinfacht die Handhabung und ist kostengünstig, weil keine separate Stromversorgung gebraucht wird.

Endgeräteklassen

LoRa unterscheidet verschiedene Endgeräteklassen, wobei nur die Klasse A für Anwendungen im Internet der Dinge interessant sind. Das Endgerät befindet sich in einem batterieschonenden Zustand und sendet nur kurz bei einer Zustandsänderung. Zum Endgerät kann dann nur in dieser Zeit etwas gesendet werden.
Zusammen mit dem Funkmodul sind diese Endgeräte wegen ihrer Einfachheit sehr günstig und eignen sich auch zur Deckung eines hohen Bedarfs.
Sollen Endgeräte auch außerhalb dieser Frist adressiert werden können, muss faktisch die Geräteklasse B oder C gewählt werden, was den Stromverbrauch stark erhöht und je nach Netz gar nicht unterstützt wird.

Anwendungen

LoRa ist primär für statische Sensor-Anwendungen gemacht. Typische Anwendung sind Statusinformationen erfassen, abfragen und austauschen. Mit Sensoren, die sich an beliebigen Orten befinden, können Informationen ermittelt oder gewonnen werden, die auf einfache Weise in eine Applikation integriert werden können.

  • Smart Home
  • Smart City
  • Smart Factory
  • Smart Farming
  • Smart Transport

The Things Network (TTN)

„The Things Network“ (TTN) ist eine Community-basierte Initiative zur Errichtung eines globalen IoT-Funknetzwerks auf Basis von LoRa. Die Idee ist, dass man sich auf der ganzen Welt in Reichweite zu einem TTN-Gateway befindet.
Die Bereitstellung, Errichtung und Betreuung der Gateways liegt dabei in den Händen Freiwilliger bzw. Teilnehmer des Netzwerks. Wer ein eigenes LoRaWAN-Projekt plant und ein TTN-Gateway betreibt, versorgt immer auch seine Umgebung. Das macht LoRaWAN interessant für Bastler und kommerzielle Nutzer gleichermaßen. Die Organisation betreibt dafür Network Server und Application Server.

Übersicht: IoT-Funksysteme

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