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Was ist LoRaWAN™?

 

LoRaWAN™ – schon der Name ist für manche ein Rätsel. Wenn man aber weiß, dass es sich einfach um eine Abkürzung für “Long Range Wide Area Network” handelt, scheint die Sache schon viel einfacher zu sein, oder? Und das ist sie auch. Aber lassen Sie uns noch ein paar Details betrachten!

Was macht LoRaWAN™?

Der Zweck von LoRaWAN™ ist die Verbindung von Geräten auf regionaler, nationaler oder sogar globaler Netzwerkebene. Es ist für IoT gemacht und ermöglicht es Sensoren, über ein durchgängig gesichertes Netzwerk mit geringem Stromverbrauch zu kommunizieren, das sowohl bidirektionale Kommunikation als auch Mobilitäts- und Lokalisierungsdienste bietet.

Das ist alles. Da die Geräte so konstruiert sind, dass sie so wenig Strom wie nötig verbrauchen, ist die Geschwindigkeit des LoRaWAN™-Netzwerks gering. Wenn Sie also daran denken, große Dateien wie Bilder oder Videos oder sogar größere Audiodateien zu versenden, ist LoRaWAN™ nicht die ideale Wahl.

Aber wenn Sie annehmen, dass die Bereitstellung eines Netzwerks nur für das IoT von geringem Nutzen ist, liegen Sie falsch. IoT ist die Zukunft unserer globalisierten Welt und sorgt dafür, dass Prozesse auch in einer stark vernetzten Welt reibungslos funktionieren. Tauchen wir also ein in die Technik!

Wie funktioniert es?

In diesem Abschnitt werden wir uns einige der technologischen Merkmale des LoRaWAN™ ansehen, einschließlich des gesamten Netzwerksystems, der Endgeräte und der Datenraten.

Aufbau des Netzwerks

Die Grundstruktur des LoRaWAN™ besteht aus Endknoten – Geräten mit einem Sensor – und Gateways. Gateways sind die Antennen, die die Signale von den Endknoten empfangen. Netzwerkserver leiten dann die Nachrichten der Endgeräte an eine Anwendung auf einem Applikationsserver weiter. Dieser ganze Prozess ist eine AES-gesicherte Nutzlast. Der ganze Prozess funktioniert natürlich in beide Richtungen, so dass eine bidirektionale Kommunikation möglich ist.

Endgeräte

Endgeräte können alles sein, vom Haustier-Tracker über die Waschmaschine bis hin zum Rauchmelder oder dem Positionssignal eines LKWs.

Alle Geräte fallen zwangsweise in eine von drei Kommunikationsklassen. Diese drei Klassen sind auf die unterschiedlichen Bedürfnisse in den verschiedenen Anwendungen zugeschnitten, für die LoRaWAN™ verwendet werden kann.

Alle LoRaWAN™-Endgeräte müssen die Klasse-A-Kommunikation unterstützen. Sie ist asynchron und wird immer vom Endgerät initiiert. Das Protokoll ist vom Typ ALOHA. Nach der Uplink-Übertragung gibt es zwei Downlink-Fenster für eine Antwort. “Uplink” bedeutet eine Kommunikation vom Gerät zur Applikation; “Downlink” bezieht sich auf eine Kommunikation von der Applikation zum Gerät.

In der Klasse A gibt es keine notwendigen periodischen Weckvorgänge, die Geräte ruhen im Schlafmodus, wenn es aktiv kommuniziert oder Daten empfängt.

Geräte der Klasse B werden zusätzlich zum Netzwerk synchronisiert und verwenden periodische Beacons. Es gibt offene Zeitschlitze für den Downlink. Dies bietet mehr Flexibilität bei der Kommunikation, kostet aber etwas mehr Strom.

Geräte der Klasse C halten das Fenster für den Empfang von Daten der Applikation immer offen, es sei denn, das Gerät befindet sich selbst im Sendevorgang. Dies verursacht natürlich einen Stromverbrauch auf der Seite des Empfängers. Daher können Geräte der Klasse C nur dort problemlos eingesetzt werden, wo ein konstanter Stromanschluss vorhanden ist.

Spread-Spectrum-Technologie und Datenrate

LoRaWAN™ nutzt ein Funkspektrum mit geringer Reichweite. Dieses Spektrum ist unlizenziert und daher für jedermann leicht zugänglich, ohne dass übermäßige Gebühren anfallen, ähnlich wie es bei WiFi der Fall ist.

Die sogenannte Chirp-Spread-Spectrum-Technologie, die LoRaWAN™ verwendet, sorgt dafür, dass es reibungslos mit Mehrwegeinbrüchen, Kanalrauschen und dem Dopplereffekt arbeitet.

Das Chirp-Spread-Spectrum ist eine spezielle Form der Modulation. Die “Chirps” sind Signale, deren Frequenz über die Zeit des Signals konstant ansteigt oder abfällt.

Es gibt zwei Hauptfaktoren, die beeinflussen, wie schnell das Netzwerk tatsächlich arbeitet: Bandbreite und Spreadfactor. LoRaWAN™ arbeitet mit 125 kHz, 250 kHz und 500 kHz Bandbreite. Der Spreadfactor wird durch den Endknoten bestimmt.

Sie können natürlich auch an der Sendeleistung drehen. Wenn Sie sie verringern, wird die Reichweite des Signals natürlich geringer, wenn Sie sie erhöhen, wird die Reichweite höher. Aber wenn Sie den Stromverbrauch niedrig halten und Batterieleistung sparen wollen, sind Bandbreite und Spreadfactor die beiden Faktoren, mit denen Sie noch arbeiten können.

Warum ist es sicher?

Jedes Netzwerk muss sicher sein. Da LoRaWAN™ ursprünglich für militärische Zwecke entwickelt wurde, war Sicherheit von Anfang an ein Hauptanliegen. Wie bereits erwähnt, sind die Netzwerke AES-gesichert. AES ist die Abkürzung für “Advanced Encryption Standard”. Bei diesem Standard handelt es sich um eine Blockchiffre, eine standardisierte Spezifikation für die Verschlüsselung von elektronischen Daten. Diese Algorithmen gewährleisten sowohl eine Authentifizierung als auch eine Ende-zu-Ende-Verschlüsselung.

Konkret verwendet LoRaWAN™ eine doppelte Verschlüsselungsschicht. Die erste Schicht ist der 128-Bit-Netzwerksitzungsschlüssel. Dieser Schlüssel wird nur zwischen dem Endgerät und dem Netzwerkserver geteilt. Die zweite Schicht der Verschlüsselung wird Ende-zu-Ende auf der Anwendungsebene gemeinsam genutzt. Diese Schicht ist ein weiterer 128-Bit-Schlüssel, genannt Application Session Key.

Durch diesen Prozess hat der Netzwerkbetreiber keinen Zugriff auf die Nutzdaten des Benutzers.

Warum ist es nützlich?

Schließlich können wir uns fragen: Was können wir eigentlich mit LoRaWAN™ machen? Wie wir bereits festgestellt haben, ist es relativ langsam in der Geschwindigkeit, so dass es hauptsächlich für die Kommunikation von Gerät zu Gerät geeignet ist. Mit anderen Worten, es ist ideal für IoT.

Aber wenn wir von IoT sprechen, meinen wir nicht einfach: Der Anschluss einer smarten Waschmaschine. Viele Branchen können LoRaWAN™ nutzen, um Geräte zu verbinden, die allen möglichen Zwecken dienen.

In der Praxis geht es dabei nicht nur um smarte Waschmaschinen oder Kühlschränke. Es ist auch wichtig für Smart Cities, um die Stromversorgung und den Verkehr zu optimieren, oder um ältere Menschen oder Menschen mit Gesundheitsproblemen durch smarte Geräte, die Gesundheitsdaten übertragen, rechtzeitig zu unterstützen.

Die einfache Technologie des LoRaWAN™ wird also mit zunehmender Bedeutung des IoT eine entscheidende Rolle für die Zukunft unseres Planeten spielen.