Long Range Wide Area Network

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Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) ist ein Low-Power-Wireless-Netzwerkprotokoll. Die LoRaWAN-Spezifikation wird von der LoRa Alliance festgelegt, ist frei verfügbar und nutzt die proprietäre Chirp Spread Spectrum Modulationstechnik „LoRa“ der Semtech Corporation. Sie ist asymmetrisch auf Energieeffizienz der IoT-Geräte ausgerichtet und erreicht hierbei hohe Reichweiten (>10 km) für die Uplink-Kommunikation, also das Senden vom IoT-Gerät an das Netz. Die Datenübertragungsrate rangiert zwischen 292 Bit/s und 50 Kilobit/s. Verschiedene Betriebsabstufungen bis hin zu einer quasi-kontinuierlichen Downlink-Kommunikation sind möglich, wobei letzteres auf Kosten der Energieeffizienz geht.

Aufbau[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Netz-Architektur ist sternförmig. Endgeräte kommunizieren mit Gateways, welche die Datenpakete an einen Netzwerkserver senden. Der Netzwerkserver verfügt über Schnittstellen, um an IoT Plattformen und Applikationen angebunden zu werden.

LoRaWAN nutzt regional unterschiedliche Frequenzbereiche im ISM-Band und SRD-Band. Unter anderem sind dies in Europa das Frequenzband von 433,05 bis 434,79 MHz (ISM-Band Region 1) und das Frequenzband von 863 bis 870 MHz (SRD-Band Europa). In Nordamerika ist hingegen das Frequenzband von 902 bis 928 MHz (ISM-Band Region 2) für die Datenübermittlung freigegeben.[1][2]

Die Reichweiten erstrecken sich von 2 km (Stadtgebiet) über 15 km (Vororte) bis zu 40 km (ländliche Gebiete). Ein weiterer großer Vorteil ist die Durchdringung von Gebäuden, da hier auch zu einem gewissen Grad unterirdische Räumlichkeiten versorgt werden können. Der Stromverbrauch von Endgeräten beträgt rund 10 mA und 100 nA im Ruhemodus. Das ermöglicht je nach Anwendungsfall eine Batterielebensdauer von 2 bis 15 Jahren. Die Kommunikation zwischen den Endgeräten und den Gateways erfolgt auf verschiedenen Frequenzkanälen mit unterschiedlichen Datenraten. Diese liegen zwischen 0,3 kbit/s und 50 kbit/s.

Um eine hohe Effizienz bei Datentransfer und Energieverbrauch zu erreichen, nutzt LoRaWAN Frequenzspreizung. Interferenzen können so weitestgehend vermieden werden. Die Datentransferraten zu den Endgeräten passt der Netzwerkserver der jeweiligen Situation an (ADR = Adaptive Data Rate). Die Kommunikation im LoRaWAN ist zweifach mit 128 bit AES verschlüsselt, zum einen bis zum Netzwerkserver und zum anderen bis zum Anwendungsserver.

Verfügbare LoRaWAN - Netze[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

In der Schweiz hat die Swisscom ein nahezu landesweit erreichbares Funknetz auf LoRa-Basis erfolgreich produktiv gesetzt. Das LPN von Swisscom verwendet das Frequenzband von 863 bis 870 MHz (SRD-Band Europa).[3] Die LoRaWAN-Gateways des Swisscom LPN senden mit einer maximalen Sendeleistung von 500 mW (27 dBm).

Dem größten südkoreanischen Telekommunikationsunternehmen SK Telecom gelang Anfang Juli 2016 die landesweite Einführung von Low-Power Wide-Area Network (LPWAN) basierend auf der LoRa-Technologie für die IoT-Infrastruktur.[4] Die niederländische KPN meldete die landesweite Bereitstellung eines IoT-Netzwerkes mit LoRa-Technik. Damit gehören die Niederlande, die Schweiz und Südkorea zu den ersten Ländern mit flächendeckender LoRaWAN-Versorgung.[5]

Einen internationalen, Community-basierten Ansatz verfolgt die niederländische Initiative The Things Network (TTN), welche seit 2015 am Markt aktiv ist. Bisher erfolgte die Etablierung in über 90 Ländern und in über 500 communities. Dort sind bereits ca. 4.500 LoRaWAN Gateways aktiv. Die führenden Standorte sind dabei Zürich, Bern, Amsterdam und Berlin. In Deutschland sind mehr als 400 Gateways in über 50 Städten und Orten installiert. Führende Stadt in Deutschland mit den meisten Installationen ist Berlin[6]. Dort wurden in 12 Monaten bereits 59 IoT-Gateways installiert und zu einem, bereits jetzt voll nutzbaren, stadtweiten Netz verbunden. Dessen Nutzung ist kostenfrei und bedarf keiner vorherigen Erlaubnis.

Bidirektionale Varianten der Endgeräte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Klasse A[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. https://docs.wixstatic.com/ugd/eccc1a_ed71ea1cd969417493c74e4a13c55685.pdf LoRa Alliance - What is LoRaWAN
  2. https://docs.wixstatic.com/ugd/eccc1a_20fe760334f84a9788c5b11820281bd0.pdf LoRa Alliance - LoRaWAN 101 – A Technical Introduction
  3. 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
  4. Oh Chan-jong: SK Telecom leads in IoT race, completing nationwide network. PulseNews, 4. Juli 2016, abgerufen am 4. Juli 2016 (englisch).
  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. Gerhard Peter: TTN Community Berlin. TheThingsNetwork, 12. Februar 2018, abgerufen am 12. Februar 2018.