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Definition Was ist LoRaWAN?

| Autor / Redakteur: M.A. Dirk Srocke / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

LoRaWAN beschreibt eine für IoT-Szenarien optimierte Kommunikationsarchitektur, die Daten über lizenzfreie Funkspektren überträgt und dabei besonders energieeffizient ist.

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(© aga7ta - Fotolia)

LoRaWAN ist eine Spezifikation für Low Power Wide Area Networks (LPWAN). Der Ansatz wurde darauf optimiert, batteriebetriebene Geräte drahtlos, ressourcenschonend und über weite Distanzen hinweg zu vernetzen. Damit bietet LoRaWAN eine Möglichkeit, ein Internet der Dinge zu realisieren.

Entwickelt wurde LoRaWAN zunächst ab 2014 von Semtech in Zusammenarbeit mit Actility und IBM Research in Zürich. Der ursprüngliche Name LoRaMAC wurde bald durch LoRaWAN ersetzt, die Spezifikation unter die Obhut der 2015 gegründeten LoRa Alliance gestellt.

LoRaWAN setzt auf LoRa auf. LoRa leitet sich von „Long Range“ ab und beschreibt, wie IoT-Devices auf der physischen Kommunikationsschicht angebunden werden. Hierbei werden lizenzfreie 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.

In Europa nutzt LoRa Frequenzen von 867 MHz bis 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 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.

Ergänzend zur physischen Datenübertragung von LoRa definiert LoRaWAN Kommunikationsprotokoll sowie Systemarchitektur. Die auf dem MAC-Layer aufsetzenden Definitionen wurden für IoT-Szenarien optimiert und bilden eine mehrstufige Kommunikation ab.

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 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. Die in eine Sterntopologie eingebundenen Gateways müssen daher 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 Gateway hierfür 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.

Da LoRaWAN ein lizenzfreies Spektrum nutzt, sind Anwender nicht zwingend auf klassische Telekommunikationsunternehmen angewiesen. Gleichwohl bieten einzelne Telkos LoRaWAN als Dienst an, beispielsweise KPN.

Wahlweise können Nutzer Gateways allerdings auch in Eigenregie betreiben und praktisch an beliebigen Orten eine eigene Netzinfrastruktur aufbauen. Anbieter wie "The Things Network" bieten hierfür bereits vorgefertigte Gateways sowie Nodes an und stellen überdies die nötige Netzwerkinfrastruktur bereit.

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