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Long Range Wide Area Network

Long Range Wide-area Network

Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) ist ein Low-Power-Wireless-Netzprotokoll. Die LoRaWAN-Spezifikation wird von der LoRa Alliance festgelegt. Sie ist frei verfügbar und nutzt ein proprietäres und patentiertes Übertragungsverfahren, basierend auf einer Chirp Spread Spectrum Modulationstechnik, mit der Bezeichnung „LoRa“ der Firma Semtech Corporation.[1] Grundmodule sind als Open Source Software verfügbar.[2]

LoRaWAN ist asymmetrisch und auf Energieeffizienz ausgerichtet für Reichweiten über 10 km für die Uplink-Kommunikation, also das Senden vom Endgerät an das Netz. 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.

Inhaltsverzeichnis

AufbauBearbeiten

 
Architektur LoRaWAN

Die Netz-Architektur ist sternförmig. Endgeräte kommunizieren mit Gateways, welche die Datenpakete an einen Server senden. Dieser Server verfügt über Schnittstellen für IoT Plattformen und Applikationen.

LoRaWAN nutzt regional unterschiedliche Frequenzbereiche im ISM-Band und 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, da auch Keller erreicht werden können. Der Strombedarf in Endgeräten beträgt rund 10 mA 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 Frequenzspreizung ermöglicht eine hohe Effizienz bei Datentransfer und Energieverbrauch. Interferenzen werden dadurch minimiert. Die Datentransferrate zum Endgerät passt der Netzserver je nach Bedarf an (ADR = Adaptive Data Rate). Die Kommunikation im LoRaWAN ist zweifach mit 128 bit AES verschlüsselt, zum einen bis zum Netzserver und zum anderen bis zum Anwendungsserver.

Verfügbare LoRaWAN – NetzeBearbeiten

 
TTN Infrastruktur

Die Niederlande, die Schweiz und Südkorea bieten als erste Länder flächendeckend eine LoRaWAN-Versorgung an .[5] In der Schweiz betreibt die Swisscom ein LPN im Frequenzband von 863 bis 870 MHz (SRD-Band Europa).[6] Die Gateways des Swisscom LPN senden mit bis zu 500 mW Sendeleistung (27 dBm).

Südkoreas größter Telekommunikationsanbieter SK Telecom führte im Juli 2016 landesweit ein Low-Power Wide-Area Network (LPWAN) für eine IoT-Infrastruktur ein.[7] Auch die niederländische KPN stellt landesweit ein IoT-Netzwerk mit LoRa-Technik bereit. Einen internationalen, Community-basierten Ansatz verfolgt die niederländische Initiative The Things Network (TTN) seit 2015. Bisher erfolgte die Etablierung in über 137 Ländern und in über 700 Communitys. Dort sind ca. 10.000 LoRaWAN Gateways aktiv. Führende Standorte sind dabei Zürich, Bern, Amsterdam und Berlin. In Deutschland sind mehr als 1100 Gateways in über 100 Städten und Orten installiert. Die weltweit meisten Installationen in einer Großstadt findet man in Berlin[8]. Dort wurden in 24 Monaten 106 IoT-Gateways zu einem voll nutzbaren, stadtweiten Netz verbunden. Dessen Nutzung ist kostenfrei und bedarf keiner Erlaubnis.

Bidirektionale Varianten der EndgeräteBearbeiten

Klasse ABearbeiten

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 BBearbeiten

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 CBearbeiten

Bei Endgeräten der Klasse C besteht ein permanent geöffnetes Download-Receive-Fenster. Somit sind Endgeräte der Klasse C nahezu permanent aktiv.

WeblinksBearbeiten

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Patent US7791415B2: Fractional-N synthesized chirp generator. Angemeldet am 16. Mai 2008, veröffentlicht am 7. September 2010, Anmelder: Semtech Corp, Erfinder: Craig A. Hornbuckle.
  2. Michael Eckstein: LoRa-IoT-Software wird Open-Source – zumindest teilweise. Elektronikpraxis, 3. Mai 2019, abgerufen am 26. Mai 2019.
  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. Graeme Burton: Netherlands beats South Korea in rolling out national Internet of Things network. Computing, 1. Juli 2016, abgerufen am 4. Juli 2016 (englisch).
  6. https://www.swisscom.ch/de/about/medien/press-releases/2015/03/20150312-MM-SCS-testet-Netz.html Swisscom - Medienmitteilung - Swisscom testet Netz für das Internet der Dinge - 12. März 2015
  7. Oh Chan-jong: SK Telecom leads in IoT race, completing nationwide network. PulseNews, 4. Juli 2016, abgerufen am 4. Juli 2016 (englisch).
  8. Gerhard Peter: TTN Community Berlin. TheThingsNetwork, 12. Februar 2018, abgerufen am 12. Februar 2018.