Kostengünstige IoT-Kommunikation im unlizenzierten Band

LoRaWAN als Alternative zu 5G und NB-IoT

| Autor / Redakteur: Dirk Srocke / Andreas Donner

Seine Stärken entfaltet LoRaWAN dort, wo es weder Strom noch Mobilfunk gibt – etwa bei der Landwirtschaft in abgelegenen Gebieten.
Seine Stärken entfaltet LoRaWAN dort, wo es weder Strom noch Mobilfunk gibt – etwa bei der Landwirtschaft in abgelegenen Gebieten. (Bild: Semtech)

Während 5G und NB-IoT in aller Munde sind, lassen sich vernetzte Dinge alternativ auch über lizenzfreie Frequenzbänder ansprechen. LoRa und LoRaWAN liefern hierfür einen kostengünstigen Ansatz, mit dem Anwender gleich ganz auf Telkos verzichten können.

LoRa beziehungsweise LoRaWAN beschreiben Verfahren, mit denen sich IoT-Devices drahtlos und über weite Distanzen verbinden und ins Internet bringen lassen. Der Ansatz wurde auf Energieeffizienz und Batterielaufzeiten von bis zu zehn Jahren hin optimiert, nutzt lizenzfreie Bänder und lässt sich vergleichsweise kostengünstig sowie rasch implementieren.

Die Modulation: LoRa

LoRa leitet sich von „Long Range“ ab und beschreibt, wie IoT-Devices auf der physischen Kommunikationsschicht angebunden werden. Hierbei werden frequenzfreie Bänder genutzt, auf denen Daten per Zirpenfrequenzspreizung (Chirp Spread Spectrum, CSS) moduliert werden. Die genutzten Verfahren sind patentiert und wurden vom französischen Unternehmen Cycleo entwickelt, das mittlerweile vom Chiphersteller Semtech übernommen wurde.

Die Leistungsübertragungsbilanz (Link Budget) von LoRa beträgt auf den in Europa zulässigen Frequenzen 155 dB. In der Praxis sind damit Übertragungen über mehrere Kilometer möglich, bei freier Sicht auch im zweistelligen Bereich. Fun Fact: Der wenig praxisrelevante aber dennoch beeindruckende Weltrekord liegt seit September 2017 übrigens bei über 700 Kilometer.

In Europa nutzt LoRa Frequenzen zwischen 867 MHz sowie 869 MHz und ist damit auf einen Duty Cycle von maximal einem Prozent beschränkt. Das heißt: Jedes einzelne Device darf die Frequenz höchstens in diesem Rahmen belegen oder muss Listen Before Talk (LBT) mit Adaptive Frequency Agility (AFA) unterstützen. Das reduziert die ohnehin spärliche Übertragungsrate zwischen 50 und 250 Bits pro Sekunde im ersten Fall auf genau ein Hundertstel, also maximal 2,5 Bit pro Sekunde.

Die Architektur: LoRaWAN

Ergänzend zur physischen Datenübertragung von LoRa definiert LoRaWAN das Kommunikationsprotokoll und die Systemarchitektur. Die auf dem MAC-Layer aufsetzenden Definitionen wurden für IoT-Szenarien optimiert – also hohe Reichweite und lange Batterielebensdauer. Zunächst ab 2014 von Semtech gemeinsam mit Actility und IBM Reseach in Zürich als LoRaMAC entwickelt, erhielt LoRaWAN schließlich den heutigen Namen und steht nun unter der Obhut der 2015 gegründeten LoRa Alliance.

Von Device zum Gateway zur Cloud

Auf der ersten Etappe des Kommunikationsweges legen Daten die drahtlose Verbindung zwischen IoT-Device (End Node) und Gateway zurück. Die Gateways leiten die Pakete dann über eine beliebige Backhaulverbindung – sei es Mobilfunk, Ethernet, Satellit oder WiFi – in die Cloud weiter.

Weil die Gateways nicht fest einzelnen End Nodes zugeordnet sind, entfällt einerseits die Notwendigkeit eines Roamings. Stattdessen können identische Datenpakete eines Nodes gleichzeitig von mehreren Gateways empfangen und per Backhaul an Netzwerkserver übertragen werden. Erst diese sortieren redundante Informationen aus und übernehmen weitere Sicherheitsprüfungen. Im Anschluss können Daten an weitere Anwendungen weitergereicht werden.

Andererseits müssen die in eine Sterntopologie eingebundenen Gateways genug Kapazität bieten, um eine hohe Zahl von Endgeräten zu bedienen. Erreicht wird dies etwa über gleichzeitig aktive Kanäle, begrenzte Datenraten und begrenzte Kommunikationsfenster (Duty Cycles).

In der LoRaWAN-Architektur existieren drei Klassen für bidirektionale Geräte:

  • Am trägsten aber batteriefreundlichsten ist Klasse A, die von allen Devices unterstützt werden muss. Hierbei kommunizieren die Devices im ALOHA-Verfahren und senden sporadisch Datenpakete. Der Downlink funktioniert dabei lediglich auf Anforderung des End Nodes.
  • Geräte der Klasse B lauschen zu bestimmten Zeitfenstern auf eingehende Signale. Zur Synchronisation sendet das Gateways hierbei Zeit-Beacons aus.
  • Geräte der Klasse C können durchgehend Daten empfangen, es sei denn sie senden gerade selbst.

Die Kommunikation per LoRaWAN ist auf zwei Ebenen gesichert. Auf Netzwerkebene stellt die Architektur die Authentizität der Nodes sicher; auf Applikationsebene sorgt eine Verschlüsselung dafür, dass Netzbetreiber Nachrichten nicht mitlesen können. Zum Einsatz kommt AES mit einem Schlüsselaustausch per EUI-64.

Telkos und Community

Telekommunikationsunternehmen wie KPN bieten LoRaWAN zwar bereits an; der besondere Charme der Lösung liegt aber darin, dass jeder Anwender für eine Handvoll Euro selbst IoT-Devices oder Gateways in Betrieb nehmen kann. Damit werden Nutzer nicht nur zum Teil einer weltweiten LoRa-Community, sondern können praktisch an beliebigen Orten eine eigene Netzinfrastruktur aufbauen. In einem seiner informativen YouTube-Videos schildert etwa Andreas Spiess, mit welchen Bauteilen sich bereits für 15 US-Dollar einen einfaches LoRa-Gateway realisieren lässt.

In einem ihrer Whitepaper stellt die LoRa Alliance die Kosten LoRa etwas umfassender denen klassischer Infrastrukturen gegenüber. Während LTE-Module für Devices im Feld kaum unter 20 US-Dollar zu haben seien, peile man mit zertifizierten LoRaWAN-Modulen ein Viertel dieses Preises an. Je nach Leistungsfähigkeit seien (geschäftstaugliche) Gateways bereits zwischen 100 und 1.000 US-Dollar zu haben, während das NB-IoT-Upgrade einer bestehenden LTE-Basis mit bis zu 15.000 US-Dollar zu Buche schlage.

Anbieter wie The Things Network bieten vorgefertigte Gateways sowie Nodes an und stellen überdies die nötige Netzwerkinfrastruktur bereit. Die (funktional eingeschränkte) Community-Variante eines solchen LoRaWAN Network Servers ist kostenlos nutzbar, für geschäftliche Nutzer gibt es leistungsfähigere und kostenpflichtige Pakete mit einer Vielzahl von Integrationen, Monitoring- oder Skalierungsfunktionen.

Pro und Contra aus Sicht des (angehenden) NB-IoT-Anbieters Vodafone.
Pro und Contra aus Sicht des (angehenden) NB-IoT-Anbieters Vodafone. (Bild: Vodafone (abfotografiert))

Vorzüge und Kehrseiten

Mit LoRaWAN steht ein energieeffizientes, kostengünstiges und reichweitenstarkes Verfahren zur Übertragung von IoT-Daten bereit. So reizvoll der Community-Ansatz von LoRaWAN ist, so wenig taugt die Lösung für alle Einsatzzwecke. Wer lizenzfreie Spektren und Dienste eines Providers zugleich nutzen will, kann LoRaWAN über einen Provider wie KPN nutzen oder den ähnlich gelagerten Ansatz von Sigfox ins Auge fassen.

Der krankt freilich auch an ähnlichen Nachteilen wie LoRaWAN: Der Betrieb in einem nicht lizenzierten Spektrum geht nämlich zwangsläufig zu Lasten der Zuverlässigkeit: Je mehr Nutzer und Geräte die offenen Frequenzen bevölkern, desto öfter wird es zu Interferenzen kommen. Anders als bei NB-IoT müssen sich LoRaWAN-Nutzer zudem mit einer proprietären Funktechnik arrangieren und auf die Sicherheit einer SIM-Authentifizierung verzichten.

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Mit geringen Übertragungsraten und sporadischen Sendezeiten ist LoRaWAN zwar perfekt geeignet um Batterien zu schonen, für große Datenmengen oder Echtzeitanforderungen fällt das System jedoch aus. Das weiß auch die LoRa Alliance und kommuniziert offen, wo der Ansatz taugt und wo eher nicht.

Beispiele contra LoRaWAN

Smarte Strommesser: Die fordern häufig hohe Datenraten, können Strom aus dem Netz beziehen und sind häufig in gut mit Mobilfunk versorgten Gebieten installiert. Darum wäre hier NB-IoT die bessere Wahl.

Buchungsterminals: Die Systeme kommunizieren häufig und benötigen dabei QoS-Garantien. Auch hier ist NB-IoT vorzuziehen.

Beispiele pro LoRaWAN

In ländlichen Regionen mit schwacher oder gar keiner Mobilfunkabdeckung und bei geringen Datenvolumina kann LoRaWAN dagegen seine Stärken besser ausspielen. So ließen sich mit Sensoren etwa Feuchtigkeit, Temperatur oder Bodenalkalität in der Landwirtschaft überwachen. Überdies eigne sich LoRaWAN beim Tracking in der Logistik oder Sensoren für das Gebäudemanagement.

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