Definition Was ist TheThingsNetwork (TTN)?

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ALE Deutschland GmbH

TheThingsNetwork ist ein auf der LoRa-Funktechnik basierendes, globales, offenes Netzwerk für das Internet der Dinge. Es wird von Mitgliedern der TTN-Community betrieben und ist an vielen Orten verfügbar. Das IoT-Netzwerk lässt sich kostenlos nutzen und verwendet lizenzfreie Frequenzbänder. IoT-Endgeräte können über Basisstationen (TTN-Gateways) mit Reichweiten von mehreren Kilometern bei niedrigem Energiebedarf mit geringen Datenraten kostengünstig an IoT-Anwendungen angebunden werden.

TheThingsNetwork ist der Name eines globalen, dezentralen und offenen Weitverkehrsnetzwerks für das Internet der Dinge (IoT). Die Abkürzung lautet TTN. Das Netzwerk basiert auf der LoRa-Funktechnik, LoRaWAN und Bluetooth LE. Es zählt zur Kategorie der Low Power Wide Area Networks (LPWAN).

Über das TheThingsNetwork lassen sich IoT-Geräte mit niedrigen Datenraten und geringem Energieverbrauch kostengünstig vernetzen. Für die Vernetzung ist eine von Mitgliedern der Community betriebene LoRa-Basisstation (TTN-Gateway) in der Nähe erforderlich. Die Gateways erzielen Reichweiten von mehreren Kilometern und verwenden lizenzfreie Funkbänder. Das TheThingsNetwork kann kostenlos von jedem genutzt werden und ist weltweit an vielen Standorten verfügbar. Auch in Deutschland gibt es eine aktive Community mit vielen Freiwilligen, die an zahlreichen Orten TTN-Gateways bereitstellen und betreiben.

Von den TTN-Gateways werden die IoT-Daten verschlüsselt über das Internet an TTN-Server weitergeleitet, von wo sie abgerufen werden können. Hardware für Gateways und kompatible IoT-Geräte sind unter anderem im Onlineshop von TheThingsNetwork erhältlich.

TheThingsNetwork bietet den Vorteil, dass keine kostenpflichtigen Mobilfunknetze für die IoT-Vernetzung benötigt werden. Darüber hinaus erzielt die LoRa-Funktechnik deutlich höhere Reichweiten als die Wi-Fi-Technik. Entstanden ist das TheThingsNetwork im Jahr 2015 in Amsterdam aus einer Initiative der Niederländer Wienke Giezeman und Johan Stokking. Heute ist das TheThingsNetwork in über 150 Ländern zu finden.

Architektur, Komponenten und prinzipielle Funktionsweise von TheThingsNetwork

Die funktechnische Anbindung von IoT-Geräten wie Sensoren an das TheThingsNetwork übernehmen auf der Last Mile die TTN-Gatways. Es handelt sich dabei um LoRa-Basisstationen, die Daten der Endgeräte drahtlos empfangen und über das Internet an TTN-Server weiterleiten, von wo sie abrufbar sind. Freiwillige der TTN-Community installieren und betreiben die Gateways.

Das TTN-Gateway erzielt je nach Standort Reichweiten von einem bis zu zehn und mehr Kilometer. Die Hardware für die TTN-Gateways stammt aus dem TTN-Shop von TheThingsNetwork oder von Drittanbietern. Die auf Open-Source-Hard- und -Software basierenden Gateways lassen sich per Ethernet oder WiFi an ein Netzwerk mit Internetverbindung anschließen. Sie unterstützen Bluetooth für Verbindungen im Nahbereich, sind über einen XBEE-Steckplatz erweiterbar und bedienen bis zu mehrere tausend Endgeräte. Für die Absicherung der übertragenen Daten kommt eine AES-128-Ende-zu-Ende-Verschlüsselung zum Einsatz.

Von den Gateways aus gelangen die IoT-Daten an die TTN-Server. Dort werden sie temporär gespeichert und können für eigene Anwendungen entgegengenommen werden. Zusätzlich integriert das TTN auch verschiedene Cloudservices. Für den Zugriff auf die TTN-Server und die Registrierung von Gateways ist die Einrichtung eines TTN-Accounts notwendig.

LoRa und LoRaWAN – die funktechnische Basis für das TheThingsNetwork

Die funktechnische Basis für das TheThingsNetwork sind LoRa und LoRaWAN. LoRaWAN ist die Abkürzung "Long Range Wide Area Network". Es handelt sich dabei um ein Low Power Wide Area Network, das eine drahtlose Vernetzung mit geringem Energiebedarf über größere Entfernungen mit kleinen Datenraten ermöglicht.

Die physikalische Schicht des LoRaWAN beschreibt LoRa (Long Range). Das Modulationsschema LoRa stammt ursprünglich von Semtech. Es handelt sich bei LoRa um einen proprietären, patentierten Funkstandard, der unter Einhaltung bestimmter Bedingungen von jedem kostenfrei nutzbar ist. LoRaWAN definiert die Protokolle höherer Schichten wie den MAC-Layer und die Systemarchitektur.

Ein LoRaWAN hat in der Regel eine sternförmige Netzwerkarchitektur mit LoRaWAN-Empfängern (Gateways), die die Daten drahtlos von Endgeräten wie Sensoren empfangen und sie an zentrale LoRaWAN-Server weiterleiten. Ein LoRaWAN-Gateway erzielt Reichweiten von theoretisch bis zu 15 Kilometern und arbeitet in der Regel mit lizenzfreien Funkbändern. In Europa kommt beispielsweise das Frequenzband bei 868 MHz (863 MHz bis 870 MHz) zum Einsatz. In den USA wird ein Frequenzband bei 915 MHz genutzt. Weitere Merkmale von LoRaWAN sind:

• geringer Energiebedarf (ermöglicht eine Batterielebensdauer von mehreren Jahren)

• Funkkanalbandbreite 125 kHz

• Bruttopaketgröße 64 Byte (13 Byte Header, 51 Byte Nutzdaten)

• Datenraten von 250 Bit/s bis 50 kbit/s

• AES-Ende-zu-Ende-Verschlüsselung (vom Sender bis zum Applikationsserver)

Mit LoRaWAN vergleichbare Technologien sind NB-IoT, Sigfox, RPMA, Wi-Fi HaLow oder Mioty. Während das TheThingsNetwork eine freie Implementierung des LoRaWAN ist, gibt es auch kommerziell betriebene LoRaWANs. Die LoRa Alliance, eine Non-Profit-Organisation, kümmert sich um die Weiterentwicklung der Technik und versucht den LoRaWAN-Standard weltweit voranzubringen.

Einsatzmöglichkeiten des TheThingsNetwork

TheThingsNetwork ist ein speziell für IoT-Geräte und -Anwendungen vorgesehenes, freies Netzwerk. Typischer Anwendungsbereich ist die kostengünstige Anbindung von IoT-Geräten wie Sensoren und das Abfragen und Austauschen von Status- und Steuerinformationen. Die von den Geräten und Sensoren empfangenen Daten lassen sich in IoT-Anwendungen integrieren. Das TheThingsNetwork eignet sich beispielsweise für Anwendungen wie die Smart City und das Smart Home sowie für Anwendungen im Bereich Überwachungs- und Sicherheitstechnik, Logistik und Verkehrsflusskontrolle, Umwelttechnik, Predictive Maintenance oder vernetzte Landwirtschaft (Smart Agriculture). Voraussetzung für den Einsatz des TheThingsNetwork für die verschiedenen Anwendungen des Internets der Dinge ist eine netztechnische Abdeckung der genutzten Standorte mit TTN-Gateways.

TheThingsNetwork – Status weltweit und in Deutschland

Das TheThingsNetwork ist mittlerweile weltweit in 153 Ländern verfügbar (Stand Juni 2023). Es verfügt über 192.000 Mitglieder, stellt über 21.000 Gateways zur Verfügung und verarbeitet mehr als 65 Millionen Nachrichten pro Tag. Vor allem in einigen Großstädten wird teilweise eine recht gute Abdeckung erreicht. Im ländlichen Bereich ist die Versorgung hingegen oft eher spärlich. Auf den Internetseiten von TheThingsNetwork kann man sich über die aktiven TTN-Communities und die Standorte der sich aktuell in Betrieb befindenden Gateways informieren. Das deutsche TheThingsNetwork besteht derzeit aus 134 über ganz Deutschland verteilten Communities.

Vorteile des TheThingsNetwork

Das freie IoT-Netzwerk TheThingsNetwork bietet unter anderem folgende Vorteile:

• freies, globales, dezentral organisiertes LPWAN

• von jedem kostenlos nutzbar, unabhängig von einem kommerziellen Netz-Provider

• hohe Reichweiten bei geringem Energiebedarf

• kostengünstige Anbindung von IoT-Geräten und Sensoren

• weltweit an vielen Orten verfügbar

• kompatible Hardware von TheThingsNetwork und von Drittanbietern verfügbar

• Open-Source-basierte Hard- und Software

• große Community mit vielen freiwilligen Mitgliedern

• jeder kann selbst Gateways betreiben und sie der Allgemeinheit zur Verfügung stellen

• für viele IoT-Anwendungen einsetzbar

• sichere Datenübertragung dank Ende-zu-Ende-Verschlüsselung

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