Was sind LoRa und LoRaWAN?

LoRaWAN-Netzwerke werden bei verschiedenen IoT-Anwendungen und Branchen immer beliebter, weshalb es sich lohnt, ihre Verwendung, Funktionen und Abläufe zu untersuchen. In diesem Artikel werden wir erörtern, was LoRa und LoRaWAN im Einzelnen sind und worin der Hauptunterschied zwischen ihnen besteht. Als Nächstes werden wir im Detail erörtern, wie LoRaWAN-Netzwerke, die auf dem LoRa RF-Modulationsschema basieren, realisiert werden können. Schließlich schließen wir unseren Artikel ab, indem wir verschiedene potenzielle Anwendungen von LoRa-basierten Geräten und ihre Vorteile gegenüber anderen verfügbaren IoT-Kommunikationsprotokollen aufzeigen. 

Was ist LoRa?

LoRa steht für "Long Range Wide Area" und ist ein beliebtes Funkmodulationsverfahren zur Realisierung von Funkverbindungen mit geringem Stromverbrauch und großer Reichweite. Es ist eines der beliebtesten Funkmodulationsverfahren, das für das Internet der Dinge (IoT) mit großer Reichweite und Maschine-zu-Maschine (M2M) Anwendungen. Obwohl LoRa schon eine Weile existiert, hat LoRa in letzter Zeit viel an Popularität gewonnen, da die Chipsätze die LoRa-Funkmodulation ermöglichen.  

Das Wichtigste ist, dass LoRa sich auf die physikalische Schicht bzw. die physikalische Funkschicht bezieht. Daher ist LoRa allein nicht in der Lage, den Netzwerkbetrieb und die Abwicklung des Netzwerkverkehrs in IoT-Anwendungen zu realisieren. Der Frequenzbereich für den Betrieb von LoRa hängt von der geografischen Lage der Implementierung ab. In Europa arbeitet LoRa beispielsweise in 868 MHz, während es in Nordamerika 915 MHz ist. Unter Sichtlinienbedingungen (LOS) kann die Comm-Kommunikationsverbindung mit LoRa-Funkmodulation auf bis zu 10 km verlängert werden. Es ist jedoch zu beachten, dass LoRa ein proprietäres lizenzfreies Funkspektrum verwendet.  

Was ist LoRaWAN?

LoRaWAN hingegen bezieht sich auf die Netzwerkeinrichtungen, einschließlich Netzwerkprotokolle und Verkehrsmanagement, die die LoRa-Funkmodulation nutzen, um eine Kommelefonie über eine große Reichweite zu ermöglichen. LoRaWAN oder LoRa Wide Area Network erleichtert die Netzwerkschicht und wird daher meist in industriellen IoT-Anwendungen gesucht. Es wird unter dem nicht-zellularen LPWAN (Low Power WAN) kategorisiert. Mit einfachen Worten können wir sagen, dass LoRaWAN ein Netzwerk ist, das LoRa verwendet. Es wird von der LoRa Alliance verwaltet, die es Geräten ermöglicht, drahtlos über LoRa zu kommunizieren1TP14.  

Der Unterschied zwischen LoRa und LoRaWAN

Nach der separaten Erörterung von LoRa und LoRaWAN lohnt es sich, kurz auf den Hauptunterschied zwischen LoRa und LoRaWAN hinzuweisen. Wie bereits erwähnt, erleichtert LoRa allein nur die physischen Einrichtungen bei der Ko1TP14Kommunikation, während LoRaWAN Fähigkeiten auf der Netzwerkebene bietet, die eine vollständige Netzwerkarchitektur ermöglichen. LoRa wurde ursprünglich patentiert unter Semtecheinem französischen Halbleiterhersteller, während LoRaWAN von LoRa-Allianz.  

Dementsprechend ist LoRa einfach ein Funkübertragungsprotokoll, das den Betrieb über große Entfernungen ermöglicht, während LoRaWAN das Netzwerk ist, das das LoRa-Protokoll verwendet, um LPWAN-IoT-Anwendungen zu realisieren.  

LoRaWAN-Technologie und -Architektur

Nachdem wir den Unterschied zwischen LoRa und LoRaWAN verstanden haben, werden wir uns nun auf jeden der beiden Ansätze separat konzentrieren. Zu Beginn konzentrieren wir uns zunächst auf die LoRaWAN-Technologie und ihre Architektur.  

Das LoRaWAN-Netz wird als sternförmige Netztopologie eingerichtet, bei der ein zentraler Knotenpunkt für die Ko1TP14Kommunikation und die Zusammenschaltung im Netz verantwortlich ist. Ein typisches LoRaWAN-Netzwerk besteht aus den folgenden Komponenten:  

1. Server beitreten  
2. Anwendungsserver  
3. Netzwerk-Server  
4. Konzentrator/Gateway  
5. Endknoten/Geräte  

1. Servern beitreten

Join-Server sind für die Bearbeitung von Join-Anfragen zuständig, die von Endgeräten beim Beitritt zum Netz über den Netzserver gesendet werden. Er wird als Software in einem Server verwaltet, der die Over-the-Air-Aktivierung (OTA) des Endgeräts überwacht und somit die sichere Aktivierung gewährleistet. Der Aktivierungsprozess über den Join-Server wird vom Endgerät eingeleitet, indem es die Uplink-Join-Request-Frames an den Join-Server sendet. Anschließend signalisiert der Join-Server dem Netzwerkserver, welcher Anwendungsserver mit dem angeforderten Endgerät verbunden werden soll. Dies wird durch Downlink-Join-Accept-Frames kommuniert. Darüber hinaus ist das Join-Gerät dafür verantwortlich, die folgenden Informationen über jedes Endgerät im Netz zu speichern:  

• Dienstprofil des Endgeräts  
• DevEUI - Dies ist eine eindeutige Kennung für jedes Endgerät  
• Appkey - Dies ist der Verschlüsselungsschlüssel der Anwendung  
• NwkKey - Dies ist der Netzwerkverschlüsselungsschlüssel  
• Kennung des Anwendungsservers  

2. Anwendungsserver

Die Anwendungsserver sind für die Verarbeitung der von den Endgeräten gesendeten Sensor- und Anwendungsdaten zuständig. Diese Daten werden dann der Benutzerschnittstelle zur Verfügung gestellt, um darauf basierend Entscheidungen zu treffen und Ergebnisse zu interpretieren. Der Anwendungsserver ist auch für die Erzeugung von Downlink-Nutzdaten für die angeschlossenen Endgeräte verantwortlich, die über den Netzwerkserver geleitet werden. In einem LoRaWAN-Netz kann es mehr als einen Anwendungsserver geben, und jede Ebene der Analyse und Verarbeitung wird auf dem Anwendungsserver ausgeführt. Algorithmen für maschinelles Lernen, Datenverarbeitungstechniken und Geschäftsanalysen sind einige der Prozesse, die von der Anwendungsschicht ausgeführt werden können. 

3. Netzwerk-Server

Der LoRaWAN-Netzwerkserver (LNS) spielt eine Schlüsselrolle bei der Realisierung und Verwaltung des gesamten Netzwerks. Es gibt einige der common Merkmale, die in Netzwerkservern in allen LoRaWAN-Netzwerken zu sehen sind. Einige der wichtigsten Merkmale sind: 

• LNS ist für die Gewährleistung sicherer 128-Bit-AES-verschlüsselter Verbindungen für die Ko1TP14Übermittlung von Nachrichten zuständig und bietet somit eine durchgängige Sicherheit 
• Überprüfung der Authentizität und Integrität der mit dem Netz verbundenen Endgeräte 
• Überprüfung der Geräteadressen, um eine korrekte Nachrichtenübermittlung im gesamten Netz zu gewährleisten 
• Einsatz des ADR-Protokolls (Adaptive Data Rate) zur Erleichterung adaptiver Datenraten und damit zur Optimierung der Datenrate von Endgeräten 
• LNS bestimmt das beste Gateway für die Weiterleitung von Downlink-Nachrichten an die Endgeräte 
• Leitet Join-Request- und Join-Accept-Nachrichten zwischen den Endgeräten und dem Join-Server weiter 
• Weiterleitung von Uplink-Anwendungsnutzdaten an den entsprechenden Anwendungsserver und Verwaltung von Downlink-Nutzdaten, die von verschiedenen Anwendungsservern kommen und dann an die entsprechenden Endgeräte weitergeleitet werden 
• Verwaltung aller MAC-Schichten (Media Access Control) commands 
• Verwaltung aller Uplink-Nachrichten, einschließlich deren Vervielfältigung, Bestätigung des ordnungsgemäßen Empfangs 

4. Konzentrator/Gateway

Gateways oder Konzentratoren sind Geräte, die für den Empfang von Nachrichten von den Endgeräten und deren Weiterleitung an den Netzserver zuständig sind. Sie sind auf der Downstream-Seite mit LoRa-modulierten Funksignalen (d. h. mit den Endgeräten) und auf der Upstream-Seite mit einer IP-basierten Verbindung (d. h. mit dem Netzwerkserver) verbunden. Diese Upstream-Verbindung wird über eine zellulare Verbindung (4G,3G, 5G usw.), Wi-Fi, Ethernet oder sogar über eine Glasfaserverbindung. Da die LoRaWAN-Gateways nicht direkt mit Endgeräten verbunden sind, können sie Informationen von mehreren Endgeräten empfangen. Dies führt dazu, dass die Gateways doppelte Daten erhalten. Diese doppelten Daten werden jedoch vom Netzserver verarbeitet. Die einzige Funktion des Gateways in Bezug auf die empfangenen Daten besteht darin, deren Integrität mit Hilfe verschiedener Fehlererkennungssysteme (z. B. CRC) zu überprüfen. Gateways messen auch den RSSI (Received Signal Strength Indicator) von Nachrichten, die von verschiedenen Endgeräten kommen, um dem Netzwerkserver zu helfen, Pakete von mehreren Endgeräten zu de-duplizieren. Im Falle der Downlink-Kommelekommunikation, d.h. dem Senden von Daten vom Netzwerkserver zu den Endgeräten, würde ein Gateway die Daten einfach ohne zusätzliche Verarbeitung an das Zielendgerät weiterleiten. Bei LoRaWAN-Gateways gibt es zwei typische Typen: 

• Gateways für Innenräume: Hierbei handelt es sich um kostengünstige Lösungen, die sich besser für Innenräume eignen, in denen nur eine begrenzte Reichweite erforderlich ist. In der Regel ist die Antenne intern eingebaut, je nach Anforderung können aber auch externe Antennen verwendet werden. 
• Gateways für den Außenbereich: Sie bieten eine größere Reichweite und werden in der Regel in beträchtlicher Höhe montiert. Sie sind außerdem mit einer Außenantenne ausgestattet. 

5. Endknoten/Geräte

Der Technologiestack von LoRaWAN-Netzwerken kann mit Hilfe eines Drei-Schichten-Modells realisiert werden, das aus folgenden Komponenten besteht: 

• Anwendungsschicht 
• MAC-Schicht 
• Physikalische Schicht 

Die Anwendungsschicht ist für die Verarbeitung von Sensordaten und das Senden von Befehlen an die angeschlossenen Aktoren zuständig1TP14. Sie bietet auch eine Benutzeroberfläche, über die der Benutzer mit dem Netzwerk interagieren kann. 

Die MAC-Schicht ist für die Herstellung der Verbindung zwischen den LoRaWAN-Gateways und den Endgeräten zuständig. In dieser Schicht werden die Geräteklassen festgelegt, wobei der Entwickler je nach Anwendung verschiedene Optionen zur Auswahl hat. 

Die physikalische Schicht basiert auf dem LoRa-RF-Modulationsschema, und die modulierte Frequenz wird auf der Grundlage des regionalen ISM-Bandes (Industrial, Scientific, and Medical) bestimmt. 

Klassen von LoRaWAN-Geräten 

LoRaWAN-Netzwerkgeräte werden je nach Betriebsart in drei Klassen eingeteilt: 

• Klasse A 
• Klasse B 
• Klasse C 

Im Betriebsmodus der Klasse A sendet ein Endgerät eine Uplink-Nachricht, gefolgt von zwei kurzen Downlink-Nachrichtenfenstern. Jedes Downlink-Fenster ist um unterschiedliche Verzögerungen gegenüber dem Ende der Uplink-Nachricht verzögert. Nun kann der Netzwerkserver nur während dieser beiden Empfangsfenster eine Downlink-Nachricht senden; gelingt ihm dies nicht, ist die nächste Downlink-Übertragung erst nach der nächsten Uplink-Übertragung möglich. Wenn der Netzwerkserver die Downlink-Übertragung während des ersten Empfangsfensters senden konnte, wird das Endgerät kein zweites Empfangsfenster öffnen. Geräte der Klasse A sind oft batteriebetrieben und haben eine hohe Downlink-Latenzzeit. Sie eignen sich am besten für Umweltüberwachungs- und Standortverfolgungsanwendungen, die den Leerlaufbetrieb fördern. Alle LoRaWAN-Geräte müssen den Betrieb der Klasse A unterstützen. 

Im Vergleich zu Geräten der Klasse A bieten Geräte der Klasse B geplante Empfangsfenster. Bei diesen geplanten Empfangsfenstern handelt es sich um zeitsynchronisierte Beacon-Nachrichten, die vom Gateway übertragen werden. Dies sorgt für eine geringere Downlink-Latenz im Vergleich zu Geräten der Klasse A. Es wird erwartet, dass die Geräte Downlink-Nachrichten in bestimmten Ping-Slots empfangen, nachdem sie jede Beacon-Nachricht von den Gateways erhalten haben. Ein Nachteil der Klasse-B-Betriebsart besteht jedoch darin, dass sich das Gerät nun für eine beträchtliche Zeit in einem aktiven Zustand befindet, wodurch sich die Batterielebensdauer des Geräts verringert. Geräte der Klasse B werden jedoch sowohl für die Überwachung als auch für die Auslösung von IoT-Anwendungen verwendet. Sie werden beispielsweise in Zählern von Versorgungsunternehmen und in Anwendungen zur Temperaturerfassung eingesetzt. 

Geräte der Klasse C lauschen "immer" auf eingehende Downlink-Nachrichten, es sei denn, sie senden (Uplink-Übertragung). Dadurch verbrauchen sie mehr Strom und werden normalerweise an das Stromnetz angeschlossen. Ein großer Vorteil von Klasse-C-Geräten ist jedoch, dass sie im Vergleich zu ihren Gegenstücken eine geringe Latenzzeit in der Abwärtsrichtung aufweisen. Anwendungen wie Straßenbeleuchtungen und Stromzähler mit Schaltern sind einige der beliebten Anwendungen, die Geräte der Klasse C nutzen. 

LoRaWAN-Netzwerksicherheit

Sicherheit ist ein wichtiger Faktor im Zusammenhang mit IoT-Anwendungen, die in der Regel mit sensiblen Informationen umgehen. Im Folgenden werden die wichtigsten Sicherheitsmaßnahmen in einem LoRaWAN-Netz beschrieben: 

• Beitrittsverfahren 
• Authentifizierung von Nachrichten 
• Gerät Co1TP14Kommissionierung 

Diese Netzsicherheitsmaßnahmen gewährleisten den Schutz des Netzes vor Angriffen Dritter und stellen die Integrität der angeschlossenen Geräte sicher, ohne wertvolle Informationen zu gefährden. Außerdem sorgen sie für einen überschaubaren Datenverkehr im Netz angesichts der begrenzten Ressourcen des Netzes. 

Das Join-Verfahren ist das Verfahren, bei dem die Endgeräte über einen Join-Server mit dem jeweiligen Anwendungsserver verbunden werden. Zunächst sendet das Endgerät eine Join-Anfrage an den Join-Server, die vom Join-Server authentifiziert wird. Nach der ordnungsgemäßen Authentifizierung sendet der Join-Server eine Join-Accept-Nachricht an das Endgerät, um die Verbindung zwischen dem Endgerät und dem jeweiligen Anwendungsserver herzustellen. Nach der Annahme der Verbindung würden sowohl das Endgerät als auch der Join-Server auf der Grundlage der erhaltenen Metadaten individuelle Sitzungsschlüssel generieren. Der Join-Server gibt seine Sitzungsschlüssel an die Netz- und Anwendungsserver weiter. Bei der Übertragung wird der Datenverkehr in zwei verschiedenen Sicherheitsstufen gesichert. Das Endgerät hat einen anderen 128-Bit-Anwendungssitzungsschlüssel, der mit dem Anwendungsserver geteilt wird, und einen anderen 128-Bit-AES-Netzwerksitzungsschlüssel, der mit dem Netzwerkserver geteilt wird. Auf diese Weise können weder Gateway noch Netzwerkserver die zwischen dem Endgerät und dem Anwendungsserver übertragenen Benutzerdaten direkt lesen. 

Das LoRaWAN-Netz verfügt aufgrund seiner MAC-Schichtoptionen über die Fähigkeit zur Nachrichtenauthentifizierung, die auf der Gateway-Ebene authentifiziert wird, bevor sie an den Netzserver übertragen wird. Darüber hinaus ist in LoRaWAN-Netzen eine Gerätekommissionierung obligatorisch. LoRaWAN-Netze bieten zwei Arten der Geräteaktivierung: 

• Over-the-Air (OTA)-Aktivierung 
• Aktivierung durch Personalisierung (ABP) 

Der Nutzer kann zwischen beiden Optionen wählen, die bevorzugte Option ist jedoch OTA. 

LoRa-Modulation

Im gesamten Artikel haben wir die Eigenschaften des LoRaWAN-Netzwerks erörtert. In diesem Abschnitt gehen wir kurz auf das LoRa-HF-Modulationsschema und einige wichtige Eigenschaften von LoRa ein. LoRa ist ein proprietäres Spreizspektrummodulationsverfahren, das auf Chirp Spread Spectrum (CSS) basiert. LoRa zielt auf die Realisierung von Ko1TP14Kommunikation mit geringem Durchsatz und niedriger Datenrate ab. Da es auf dem CSS-Mechanismus basiert, ist es möglich, durch Erhöhung der Chirp-Rate die Reichweite der communication zu erhöhen. Da der Spreizungsfaktor mit der Erhöhung der Chirp-Rate zunimmt, stellt sich die Frage nach einer möglichen Interferenz der Frequenzkomponenten. LoRa verwendet jedoch eine orthogonale Spreizung der Chirps, wodurch eine Kollision der verschiedenen Frequenzkomponenten vermieden wird. Dies gewährleistet auch die Robustheit von LoRa-Signalen und macht sie immune gegenüber Mehrwegeinbrüchen. I1TP14Die Unempfindlichkeit gegenüber Mehrwegeausbreitung macht LoRa zu einem geeigneten Kandidaten für städtische Umgebungen, in denen Mehrwegeausbreitung eine große Rolle spielt. Die Bandbreite für LoRa beträgt 125 KHz oder 500 KHz (für Uplink) und 500 KHz (für Downlink), und je nach Einsatzgebiet ändert sich dieses Frequenzspektrum. 

LoRa-Allianz

LoRa Alliance ist eine offene und gemeinnützige Organisation, deren Ziel es ist, massive IoT-Anwendungen mit der Einführung von LoRaWAN-Netzwerken zu erreichen, die auf der LoRa RF-Modulation basieren. Die LoRa Alliance arbeitet weltweit mit mehr als 150 LoRaWAN-Netzbetreibern mit mehr als 500 Unternehmen zusammen und gewährleistet so eine globale Abdeckung. Dies macht LoRaWAN-Netze zu einem interessanten Kandidaten für massive IoT-Anwendungen im globalen Kontext. Eine Karte der Netzabdeckung, die die derzeitige globale Abdeckung und die aktuellen vertikalen Bereiche mit LoRa-basierten Anwendungen zeigt, kann über folgende Adresse aufgerufen werden: https://lora-alliance.org/ . 

Vorteile und Nachteile von LoRaWAN

LoRaWAN-Netzwerke sind aus vielen Gründen populär geworden, da sie viele Vorteile im Zusammenhang mit dem IoT und massiven IoT-Anwendungen bieten. Einige der wichtigsten Vorteile von LoRaWAN sind: 

• LoRaWAN-Netzwerke verbrauchen wenig Strom, da LoRa-basierte Geräte für einen geringen Stromverbrauch optimiert sind  
• LoRa-basierte Geräte haben eine lange Batterielebensdauer 
• Durch die Verwendung der LoRa RF-Modulation auf CSS-Basis können LoRaWAN-Netzwerke auf eine große Reichweite erweitert werden. Diese beträgt etwa 10 km in ländlicher Umgebung und etwa 3 km in städtischer Umgebung. 
• Mit der Präsenz von standardisierten Gremien wie der LoRa Alliance sind LoRa-basierte Geräte weltweit bekannt und leicht zugänglich. 
• Ein weiterer Vorteil von LoRaWAN-Netzen sind die inhärenten Sicherheitsfunktionen von LoRa-basierten Geräten. Diese Netze verwenden auch 128-Bit-AES-Verschlüsselungstechniken  

Trotz ihrer attraktiven Merkmale sind LoRaWAN-Netze nicht immer die beste Option. LoRaWAN-Netzwerke sind nur für niedrige Datenraten geeignet und können nur wenige Datenmuster gleichzeitig übertragen. Daher müssen wir Datentypen wie Text in Binärform kodieren, um mit der geringen Nutzlastkapazität von LoRaWAN-Netzwerken gleichzuziehen. Außerdem sind LoRaWAN-Netze nicht ideal für die Verarbeitung von Echtzeitdaten geeignet, da LoRa-basierte Geräte Daten in bestimmten Zeitintervallen senden können. 

Wann sollte man LoRa und LoRaWAN einsetzen? (Anwendungen) 

LoRa und LoRaWAN eignen sich für die Realisierung von IoT- und Massive-IoT-Anwendungen, die die folgenden Eigenschaften erfordern: 

• Geringe Kosten für die Umsetzung 
• Geringer Stromverbrauch 
• Geringere Bandbreite und Übertragung kleiner Nutzlasten 
• Sicherer und weitreichender Betrieb 

Diese Merkmale sind in Bereichen wie den folgenden besonders ausgeprägt: 

• Intelligente Parkanwendungen 
• Umweltüberwachung und Anwendungen zur Verbrauchsmessung 
• Standortverfolgung 
• Straßenbeleuchtung  
• Landwirtschaftliche Anwendungen und Nutztierhaltung 
• Anwendung zur Katastrophenvorhersage, z. B. Erdbebenvorhersage 

LoRa- und LoRaWAN-Netze sind jedoch nicht der ideale Kandidat für Anwendungen wie vernetzte Häuser und automatisierte Heimanwendungen, bei denen Daten in Echtzeit verarbeitet und verschiedene Aktoren gesteuert werden müssen. LoRa-basierte Anwendungen sind auch nicht der beste Kandidat für Anwendungen, die höhere Bandbreiten wie die Übertragung von Bildern oder Videos erfordern. 

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass LoRa das RF-Modulationsschema ist, das die unterstrichene physikalische Schicht im LoRaWAN-Netzwerkstapel ist. Darüber hinaus werden LoRaWAN-Netzwerke mit der Präsenz von standardisierten Gremien wie der LoRa Alliance immer beliebter für massive IoT- und IoT-Anwendungen mit geringer Leistung und großer Reichweite.