LoRaWAN erklärt

Anfang der 1990er-Jahre begann die Internetverbindung über einen einfachen, direkten Weg. Heute hat sich die Technik weiterentwickelt und ist komplexer, aber auch leistungsfähiger geworden. Anstelle einer einfachen Ethernet-Verbindung können Mikrocontroller und andere Geräte über eine Vielzahl von Protokollen mit dem Internet kommunizieren: Bluetooth, WLAN, BLE, ZigBee, 3G, 4G, 5G, NFC, RFID, SigFox, DigiMesh, Thread und 6LoWPAN, um nur einige zu nennen. Jede dieser Verbindungen spielt eine wichtige Rolle für die Geräteverbindung und Datenübertragung. Ein vielversprechendes Protokoll, das wir hier hervorheben möchten, ist LoRaWAN .

Wie die oben genannten Technologien LoRaWAN ein drahtloses Verbindungsnetzwerk für die Datenkommunikation mit dem Internet. LoRaWAN hat sich schnell etabliert, da es speziell für IoT Anwendungen (Internet der Dinge) entwickelt wurde, die eine Internetzugangsverbindung mit großer Reichweite und geringem Stromverbrauch ohne WLAN benötigen. LoRaWAN ist eine hervorragende Lösung für batteriebetriebene Sensoren oder Geräte, die über große Entfernungen oder an abgelegenen Orten kommunizieren müssen. Vereinfacht ausgedrückt werden bei LoRaWAN Datenpakete bei Bedarf über große Entfernungen an das nächstgelegene gateway , welches diese Datenpakete zur Speicherung, Verarbeitung oder Visualisierung an den Server weiterleitet.

Um LoRaWAN besser kennenzulernen, begeben wir uns zurück ins Jahr 2009, als der Vorläufer von LoRaWAN namens LPWAN in Frankreich seinen Anfang nahm:

LPWAN ist ein drahtloses Telekommunikations-Weitverkehrsnetz, das für die Kommunikation über große Entfernungen mit niedriger Bitrate für Dinge (verbundene Objekte) wie z. B. batteriebetriebene Sensoren mit geringem Energiebedarf entwickelt wurde.
LPWAN ermöglicht die Vernetzung von Geräten, die weniger Bandbreite benötigen als die Standard-Heimgeräte.
LPWAN- Netzwerke unterstützen zudem mehr Geräte über einen größeren Abdeckungsbereich als mobile Endgeräte und verfügen über bessere bidirektionale Kommunikationsfähigkeiten.
Netzwerke wie WLAN und Bluetooth eignen sich besser für IoT im Verbraucherbereich , LPWAN ist jedoch im industriellen IoT sowie in zivilen und kommerziellen Anwendungen

LPWAN ist das übergeordnete Netzwerk, das umfasst . Daher sind die beiden nicht synonym, sondern zwei separate Netzwerke. LPWAN entstand zuerst und integrierte später verschiedene Netzwerke mit jeweils eigener Entstehungsgeschichte. Zu diesen Netzwerken gehören AlarmNet (später von Honeywell übernommen), das 2G-Netz und LoRaWAN, das 2014 von der LoRa Alliance entwickelt wurde und zu den führenden und beliebtesten Protokollen für vernetzte Geräte zählt.

So funktioniert LoRaWAN:

HINWEIS : Am Ende dieses Beitrags finden Sie ein Glossar mit gängigen Begriffen und Definitionen.

, die mit dem Internet verbunden sind, als Endgeräte bezeichnet . Sobald der Sensor einen Messwert erfasst, sendet das Gerät ein Signal (Datenpaket), das vom gateway wird . Dieses gateway nutzt nun FSK ( Frequency Shift Keying Chirp Spread Spectrum -Verfahrens so effizient wie möglich an den Server zu übertragen . Beim Eintritt des Datenpakets vom Endgerät in die gateway liegt es in Form von „Chirps“ vor, die digitale Informationen repräsentieren (siehe unten). Der Chirp wird dann in den Frequenzbereich zerlegt und anschließend zu einem modulierten Signal für den effizienten Datentransport umgewandelt.

Die LoRa-Hardware wandelt das Eingangssignal in den Frequenzbereich um und sucht innerhalb des Frequenzbandes nach anderen, besser Frequenzkanälen zur Signalübertragung. Sobald das gateway Kanal gefunden hat, wird die Frequenz des Eingangssignals energieeffizienter moduliert und anschließend (daher das „S“ in FSK) auf diesen Kanal verschoben, um eine schnelle Datenübertragung zu ermöglichen.

Die Endgeräte und gateway interagieren kontinuierlich miteinander, sodass die Datenübertragung auf andere Frequenzkanäle „springen“ kann, die am besten zu den Leistungs-, Geschwindigkeits-, Tastverhältnis- und Reichweitenbeschränkungen des Systems passen.

Während dieser Frequenzmodulation führen andere integrierte Schaltkreise innerhalb des LoRa- gateway weitere „Verbesserungs“-Modulationen durch, wie das Herausfiltern von Rauschen oder der Zackenbildung, die man in einem Signal sieht.

Ein weiterer Grund, warum LoRaWAN ein energiesparendes Netzwerk mit großer Reichweite ist, liegt in einem Verfahren namens ADR ( Adaptive Data Rate ). Ähnlich wie das FSK-Verfahren die Eingangssignalfrequenz verschiebt, um die Effizienz zu steigern, kommuniziert ADR mit dem LoRaWAN-Netzwerkserver, um die Datenrate . Die Kommunikation zwischen Gerät und Server funktioniert folgendermaßen:

Die Endgeräte (Knoten) senden ständig Uplink- Nachrichten an den Netzwerkserver von LoRaWAN. Diese Uplink-Nachrichten enthalten zahlreiche Informationen über die letzten 20 Signale des Knotens.
Der Netzwerkserver analysiert die jüngste Historie des Knotens und vergleicht sie, um festzustellen, wie viel „Spielraum“ für Änderungen vorhanden ist
Das Netzwerk kann feststellen, dass ein gewisser Spielraum besteht, um die Reichweite für etwas Nützlicheres, wie beispielsweise eine höhere Datenrate, zu verringern. (Man beachte im Diagramm, dass der Mülleimer seine Daten an mehr gatewaysendet als jedes der anderen Geräte.)
Anstatt langsamere Nachrichten an weit entfernte gatewayzu senden, würde der Server es vorziehen, wenn das Endgerät eine schnelle Nachricht an ein nahegelegenes gateway sendet.
Daher nutzt das ADR- Verfahren Möglichkeiten, die die Datenrate erhöhen. Wenn die dafür in Kauf genommenen Einschränkungen zu einem effizienteren Systembetrieb beitragen, werden diese Einschränkungen mithilfe von ADR vorgenommen.

Nachdem die gatewayein Datenpaket mithilfe der LoRa-Technologie empfangen und interpretiert haben, leiten gateway die Daten über Standard-IP-Verbindungen wie Ethernet oder 3G an den Netzwerkserver weiter. Empfängt der Netzwerkserver dasselbe Datenpaket von mehreren gateway, verarbeitet er nur eines davon und verwirft die Kopien. Empfängt der Server beispielsweise drei identische Datenpakete, weil der Mülleimer in unserem Beispiel mit drei gatewayverbunden ist, wird nur eines dieser Pakete verarbeitet. Dies gewährleistet eine hochpräzise und effiziente Datenübertragung.

Abwägungen

Wie bei jeder technischen Anwendung gibt es auch im Bereich LoRaWAN Kompromisse hinsichtlich Leistung, Geschwindigkeit und Reichweite. Das folgende einfache Diagramm veranschaulicht die zu berücksichtigenden Punkte.

Längere Datenbit-Zeit → reduzierte Datenrate → geringere Geschwindigkeit.
Längere Datenbit-Zeit → erhöhte Datenrate → höhere Geschwindigkeit.
Größere Reichweite und reduzierter Stromverbrauch → geringere Geschwindigkeit. Größere Reichweite und höhere Übertragungsgeschwindigkeit → höherer Stromverbrauch
. Höhere Übertragungsgeschwindigkeit
und reduzierter Stromverbrauch → geringere Reichweite.

Frequenzbänder

LoRaWAN nutzt niedrigere Funkfrequenzen über eine größere Reichweite, wobei die Frequenzbänder zwischen den Ländern unterschiedlich sind.

Europa : Frequenzbänder 863–870 MHz und 433 MHz (868 MHz wird von The Things Network genutzt). Alle Geräte und Netzwerke müssen die drei gängigen 125-kHz-Kanäle für das 868-MHz-Band (868,10, 868,30 und 868,50 MHz) unterstützen.
USA : Das Frequenzband von 902–928 MHz ist in acht Teilbänder unterteilt. Jedes dieser Teilbänder verfügt über acht 125-kHz-Uplink-Kanäle, einen 500-kHz-Uplink-Kanal und einen 500-kHz-Downlink-Kanal. Im Gegensatz zu den europäischen Frequenzkanälen werden die US-amerikanischen Frequenzkanäle in Uplink- und Downlink-Kanäle unterteilt.
Australien : Frequenzband 915–928 MHz. Die Uplink-Frequenzen in Australien liegen höher als im US-amerikanischen Frequenzband. Die Downlink-Frequenzen sind jedoch identisch mit denen im US-amerikanischen Frequenzband.
China : 779–787 MHz-Band mit drei gemeinsamen 125-kHz-Kanälen (779,5, 779,7 und 779,9 MHz) sowie ein 470–510 MHz-Band mit 96 Uplink-Kanälen und 48 Downlink-Kanälen

Klassen

LoRaWAN kategorisiert seine Endgeräte in drei verschiedene Klassen, um den unterschiedlichen Bedürfnissen der vielfältigen Anwendungen gerecht zu werden.

Klasse A:

Diese Geräte unterstützen die bidirektionale Kommunikation zwischen einem Gerät und einem gateway
niedrigste Leistungskategorie
Geräte der Klasse A funktionieren nur in Anwendungen, in denen sie eine Uplink-Übertragung senden und kurz darauf auf eine Downlink-Kommunikation vom Server warten
Uplink-Nachrichten können jederzeit gesendet werden
Nach dem Senden einer Uplink-Nachricht öffnen Geräte der Klasse A zu festgelegten Zeiten zwei Empfangsfenster
Der Server kann in jedem der beiden Fenster antworten
Der vom Endgerät für jedes Zeitfenster vorgesehene Übertragungsschlitz (Zeitschlitz) basiert auf dessen eigenen Kommunikationsbedürfnissen
Wenn der Server in keinem dieser beiden Empfangsfenster antwortet, besteht die nächste Gelegenheit nach der nächsten Uplink-Übertragung

Die erste Zeile im Diagramm stellt den chronologischen Ablauf des Uplink-/Downlink-Prozesses eines Endgeräts der Klasse A dar. Zuerst sendet es ein Uplink-Signal, wartet, öffnet dann das erste Empfangsfenster, wartet erneut und öffnet anschließend ein zweites Empfangsfenster. Die nächsten beiden Zeilen zeigen den erfolgreichen Empfang eines Downlink- Signals, nachdem dieses vom Empfangsfenster erfasst wurde. Die letzte Zeile zeigt den erfolglosen Empfang eines Downlink-Signals, da dieses vom Endgerät in keinem der Empfangsfenster erfasst wird.

Klasse B:

Endgeräte der Klasse B sind bidirektional und verfügen über geplante Empfangszeiten, ähnlich wie Endgeräte der Klasse A
Der Unterschied: Geräte der Klasse B öffnen zusätzlich zu den Empfangsfenstern der Klasse A zu festgelegten Zeiten weitere
Im Gegensatz zu Geräten der Klasse A, die ihre Empfangsfenster nach ihren eigenen Kommunikationsbedürfnissen öffnen, empfangen Geräte der Klasse B ein zeitlich synchronisiertes Signal vom gateway, wodurch der Server erkennt, wann das Endgerät „zuhört“

Klasse C:

Geräte der Klasse C sind bidirektional mit maximalen Empfangsschlitzen.
Diese Geräte verfügen nahezu permanent über geöffnete Empfangsfenster, die nur während der Übertragung geschlossen werden
Dies ermöglicht zwar eine Kommunikation mit geringer Latenz , verbraucht aber um ein Vielfaches mehr Energie als Geräte der Klasse 1.

Over-The-Air-Aktivierung (OTAA)

Um an einem LoRaWAN-Netzwerk teilzunehmen, muss jedes Endgerät personalisiert und aktiviert . Die Funktionsweise dieses Prozesses lässt sich in folgenden Schritten zusammenfassen:

Für die drahtlose Aktivierung müssen Endgeräte ein Beitrittsverfahren , bevor sie am Datenaustausch mit dem Netzwerkserver teilnehmen können.
Für den Beitrittsvorgang ist es erforderlich, dass das Endgerät vor Beginn des Beitrittsvorgangs mit den folgenden Informationen personalisiert wird: einer global eindeutigen Endgerätekennung ( DevEUI ), der Anwendungskennung ( AppEUI ) und einem AES-128-Schlüssel ( AppKey ).
Der Beitrittsvorgang besteht aus zwei MAC-Nachrichten (Media Access Control), die mit dem Server ausgetauscht werden, nämlich einer Beitrittsanfrage und einer Beitrittsbestätigung .
Das Endgerät sendet die Beitrittsanfragenachricht, die aus der AppEUI und der DevEUI des Endgeräts, gefolgt von der DevNonce, besteht.
Die Beitrittsanfrage kann mit beliebiger Datenrate und unter Anwendung einer effizienten Frequenzsprungsequenz über die angegebenen Beitrittskanäle übertragen werden.
Der Netzwerkserver antwortet auf die Beitrittsanfrage mit einer Beitrittsbestätigung, wenn das Endgerät berechtigt ist, einem Netzwerk beizutreten.
Nach der Aktivierung werden folgende Informationen im Endgerät gespeichert: eine Geräteadresse ( DevAddr ), eine Anwendungskennung ( AppEUI ), ein Netzwerksitzungsschlüssel ( NwkSKey ) und ein Anwendungssitzungsschlüssel ( AppSKey ).

Wenn Schritt 7 erfolgreich ist, ist OTAA abgeschlossen.

Aktivierung durch Personalisierung (ABP)

Unter bestimmten Umständen können Endgeräte durch Personalisierung aktiviert werden. Die Aktivierung durch Personalisierung verbindet ein Endgerät direkt mit einem bestimmten Netzwerk und umgeht so das übliche Beitrittsverfahren. Im Gegensatz zur OTAA-Aktivierung werden daher die Geräteadresse (DevAddr) und die beiden Sitzungsschlüssel (NwkSKey und AppSKey) direkt im Endgerät gespeichert, anstatt der Geräte-EUI (DevEUI), der AppEUI (AppEUI) und des AppKey (AppKey). Das Endgerät verfügt somit bereits beim Start über alle erforderlichen Informationen zur Teilnahme an einem bestimmten LoRa-Netzwerk.

Der Vorteil von ABP liegt in der einfachen Netzwerkanbindung, da das Gerät schnell betriebsbereit ist, was für bestimmte Anwendungen sehr geeignet ist. Der Nachteil besteht darin, dass die Verschlüsselungsschlüssel für die Netzwerkkommunikation im Gerät vorkonfiguriert sind, was die Sicherheit beeinträchtigt.

Abschluss

Zusammenfassend die wichtigsten Punkte von LoRaWan :

LoRaWAN deckt große Entfernungen ab und ist daher ideal für städtische und ländliche Lösungen
LoRaWAN verbraucht weniger Strom, wodurch sich die Technologie ideal für batteriebetriebene Geräte eignet
LoRaWAN bietet Kommunikation mit geringer Bandbreite und ist daher die ideale Lösung für praktische IoT Implementierungen, die weniger Daten benötigen
Im Vergleich zu Mobilfunk oder WLAN sind die Bereitstellungskosten aufgrund der geringeren Anzahl benötigter Gateway Geräte relativ niedrig
LoRaWAN unterstützt bidirektionale Kommunikation
Ein einzelnes LoRaWAN- Gateway kann Tausende von Geräten oder Knoten verwalten; mehrere Gatewaybieten Ausfallsicherheit für intelligente Lösungen

Glossar der Begriffe

In diesem Abschnitt finden Sie Definitionen technischer Begriffe, die Ihnen das Verständnis von LoRaWAN erleichtern. Zur besseren Übersicht sind diese Begriffe im Tutorial fett hervorgehoben.

Adaptive Datenrate (ADR) : Mechanismus zur Optimierung von Datenraten, Gesprächszeit und Energieverbrauch im Netzwerk

AppEUI : ist eine globale Anwendungs-ID, die einen Adressraum adressiert und den Anwendungsanbieter (Eigentümer) des Endgeräts eindeutig identifiziert.

AppKey : Ein gerätespezifischer AES-128-Anwendungsschlüssel, der vom Anwendungsinhaber vergeben wird. Aus dem AppKey werden die gerätespezifischen Sitzungsschlüssel NwkSKey und AppSKey , um die Netzwerkkommunikation und Anwendungsdaten zu verschlüsseln und zu verifizieren.

AppSKey : Wird sowohl vom Netzwerkserver als auch vom Endgerät verwendet, um das Nutzdatenfeld anwendungsspezifischer Datennachrichten zu verschlüsseln und zu entschlüsseln.

Frequenzband : ein Frequenzbereich mit einer bestimmten niedrigsten und höchsten Frequenz

Bandbreite : misst, wie viele Daten in einer bestimmten Zeit über eine bestimmte Verbindung gesendet werden können (synonym mit Datenrate).

Chirp Spread Spectrum : eine Modulationstechnologie, die für die Zuverlässigkeit der Übertragung sowie den geringen Stromverbrauch verantwortlich ist.

Cloud : Eine Plattform zur Speicherung und Verarbeitung IoT Daten. Die Plattform ist darauf ausgelegt, riesige Datenmengen zu verarbeiten, die von Geräten, Sensoren, Websites, Anwendungen, Kunden und Partnern generiert werden, und in Echtzeit Reaktionen auszulösen.

Datenrate : die Menge an digitalen Daten, die in einer bestimmten Zeit von einem Ort zum anderen übertragen wird; kann als die Übertragungsgeschwindigkeit einer bestimmten Datenmenge von einem Ort zum anderen betrachtet werden, basierend auf der Bandbreite.

DevAddr enthält eine Netzwerk-ID (NwkID) zur Unterscheidung von Adressen territorial überlappender Netze verschiedener Netzbetreiber und zur Behebung von Roaming-Problemen. Sie enthält außerdem die Netzwerkadresse (NwkAddr) des Endgeräts.

DevEUI : ein globaler Endgeräte-ID-Adressraum, der das Endgerät eindeutig identifiziert

DevNonce : Ein zufälliger Wert, der einem Endgerät zugeordnet ist. Versucht ein Endgerät, sich mit einem bereits zuvor verwendeten DevNonce-Wert mit dem Server zu verbinden, ignoriert der Server die Anfrage und verhindert so einen Systemausfall, der als Replay-Angriff bekannt ist.

Downlink : die Verbindung zwischen einem Satelliten und einer Bodenstation. Die Frequenz der Downlink-Signale ist in der Regel breiter gefächert, um ein großes Gebiet auf der Erde abzudecken und möglichst viele Dienste bereitzustellen.

Tastverhältnis : Das prozentuale Verhältnis der Impulsdauer bzw. Impulsbreite (PW) zur Gesamtperiode (T) der Wellenform. Tastverhältnis = PW/T * 100 %

Hier ist ein Diagramm, das Ihnen hilft, sich den Begriff „Tastverhältnis“ besser vorzustellen:

Endgerät/Knoten/Endpunkt : Ein internetfähiges Computerhardwaregerät. Der Begriff kann sich auf Desktop-Computer, Laptops, Smartphones, Tablets, Thin Clients, Drucker oder buchstäblich jedes Objekt beziehen, das eine Internetverbindung herstellen kann.

Frequenzkanal : Bei der Kanalisierung eines Frequenzbandes bedeutet dies, dass ein Gerät (z. B. ein Funkgerät) bestimmte, diskrete Frequenzen zur Datenübertragung nutzt. Anstatt willkürlich Frequenzen innerhalb des Bandes zu wählen, verwendet ein Gerät oder Netzwerk eine bestimmte Schrittweite, um die Effizienz zu steigern und ungenutzte Frequenzlücken zu vermeiden. Beispielsweise könnten im Frequenzband von 28–29 MHz drei verschiedene 100-kHz-Kanäle die Frequenzen 28,1 MHz, 28,2 MHz, 28,3 MHz usw. haben.

Frontend : Benutzer (wie Menschen oder Programme) interagieren direkt mit der Anwendung.

LoRa : eine proprietäre, auf Chirp Spread Spectrum (CSS) basierende Funkmodulationstechnologie für LPWAN, die von LoRaWAN verwendet wird. LoRa ist die physikalische Schicht, LoRaWAN das Netzwerk.

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network): ein MAC-Protokoll (Media Access Control) zur Verwaltung der Kommunikation zwischen LPWAN- gateway und Endgeräten, das von der LoRa Alliance verwaltet wird.

LPWAN (Low-Power Wide Area Network): Eine drahtlose Weitverkehrsnetzwerktechnologie, die speziell für die Verbindung von Geräten mit geringer Bandbreite entwickelt wurde und sich auf Reichweite und Energieeffizienz konzentriert.

NwkSKey wird sowohl vom Netzwerkserver als auch vom Endgerät verwendet, um den MIC (Message Integrity Code) aller Datennachrichten zu berechnen und zu überprüfen und so die Datenintegrität sicherzustellen.

Durchsatz : ein Maß dafür, wie viele Informationseinheiten ein System in einer bestimmten Zeitspanne verarbeiten kann.

Uplink : die Verbindung von einer Bodenstation zu einem Satelliten. In IoT Anwendungen müssen Signale die Atmosphäre durchqueren, wo Dämpfung unvermeidlich ist (z. B. durch Regen). Um diese Dämpfung so gering wie möglich zu halten, verstärken Bodenstationen ihre Uplink-Signale mit höherer Leistung, sodass die Frequenz schmaler wird (damit das Signal Hindernisse in der Umgebung durchdringen kann). Daher haben Uplink-Signale im Allgemeinen höhere Frequenzen als Downlink-Signale.