LoRaWAN – KInsecta

Mit der Funktechnologie LoRa (1) hat jede*r die Möglichkeit, sich ein eigenes oder ein Community-basiertes Funknetzwerk LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) aufzubauen und selbst zu betreiben. Das Besondere ist, dass dieses Funknetzwerk dank CSS-Technologie (2) sehr energiesparend arbeiten kann.

Die Signale können Gebäudemauern durchdringen und erreichen so auch Kellerräume. Im Outdoor-Bereich ermöglicht LoRaWAN ein energieeffizientes Senden von Daten über lange Strecken: Die Reichweite kann bis zu 40 km in der Ebene betragen. Das Funknetzwerk wurde für das Internet der Dinge (IoT) entwickelt.

Mit dem Media Access Control (MAC)-Protokoll definiert LoRaWAN, wie die Geräte die LoRa-Hardware nutzen, zu welchem Zeitpunkt sie senden und in welchem Format die Nachrichten gesendet werden. Die Protokolle werden von der LoRa Alliance definiert und sind in der LoRaWAN-Spezifikation festgehalten, die auf der Website der LoRa Alliance heruntergeladen werden kann.(3)

Geolokalisierung
Ein LoRaWAN-Netzwerk kann den Standort von Endgeräten durch Triangulation bestimmen, ohne dass GPS erforderlich ist. Ein LoRa-Endgerät kann geortet werden, wenn mindestens drei Gateways sein Signal auffangen.

Öffentlicher und privater Einsatz
Öffentliche und private LoRaWAN-Netzwerke lassen sich leicht mit derselben Hard- und Software einrichten.

Verschlüsselung
LoRaWAN gewährleistet eine sichere Kommunikation zwischen Endgerät und Anwendungsserver mit der AES-128-Verschlüsselung.

Firmware-Updates Over The Air
Die Firmware (Betriebs-Software) für ein einzelnes Endgerät oder eine Gruppe von Endgeräten kann aus der Ferne aktualisiert werden.

Regionale Parameter
Weil LoRaWAN im unlizenzierten Funkspektrum arbeitet, gibt es bestimmte länderspezifische Regelungen. Dies stellt eine Herausforderung für LoRaWAN dar, das versucht, in allen Regionen der Welt so einheitlich wie möglich zu sein. Aus diesem Grund ist LoRaWAN für eine Reihe von Bändern für diese Regionen spezifiziert (3,4). Diese Bänder sind ähnlich genug, um ein regionsunabhängiges Protokoll zu unterstützen, haben aber eine Reihe von Konsequenzen für die Implementierung der Backend-Systeme.

Bandbreite und Reichweite
LoRaWAN-Gateways können Signale über eine Entfernung von über 10 Kilometern in ländlichen Gebieten und bis zu 3 Kilometern in dichten städtischen Gebieten senden und empfangen.
Die LoRa-Modulation bietet eine deutlich größere Kommunikationsreichweite bei geringerer Bandbreite als andere konkurrierende Technologien zur drahtlosen Datenübertragung. Auch in Innenräumen können LoRaWAN-Netzwerke eine große Reichweite bieten und problemlos mehrere Stockwerke abdecken.

Quelle: https://www.thethingsnetwork.org

Ein LoRa-Netzwerk ist durch eine Reihe von Endgeräten (Sensoren) gekennzeichnet, die ihre Datenpakete an mehrere Antennen (Gateways) innerhalb ihrer Reichweite funken. Das Gateway kann Datenpakete auch an die Endgeräte zurücksenden (Beispiel: Firmware-Updates). In einem LoRaWAN-Netzwerk ist jedes Gateway registriert. Die Gateways sind über ein IP-Backbone mit dem Internet verbunden. Der IP-Verkehr vom Gateway zum Netzwerkserver kann über Mobilfunk (3G/4G/5G), WiFi, Ethernet, Glasfaser oder 2,4-GHz-Funkverbindungen realisiert werden. Der Netzwerkserver spielt die Daten auf den Anwendungsserver, der sie auf den Server des Nutzers weiterleitet.

Gateways
Es gibt Indoor- und Outdoor-Gateways. Gateways für den Außenbereich eignen sich für die Versorgung in ländlichen, städtischen und dicht besiedelten Gebieten. Diese Art von Gateway ist für Einsatzorte wie Mobilfunktürme, die Dächer sehr hoher Gebäude, Metallrohre (Masten) usw. vorgesehen.

Netzwerk-Server
Der Netzwerk-Server verwaltet das gesamte LoRaWAN-Netzwerk. Er empfängt den IP-Verkehr der Gateways und ist verantwortlich für Netzwerkmanagement-Funktionen wie die Endgeräteaktivierung, die Eliminierung doppelter, von mehreren Gateways gesendeter Nachrichten und der adaptive Datenratensteuerung (ADR, (5)).

Anwendungsserver
Der Anwendungsserver (Application Server) verarbeitet anwendungsspezifische Datennachrichten, die von Endgeräten empfangen werden. Er generiert auch alle Downlink-Payloads der Nutzdaten und sendet sie über den Netzwerkserver an die angeschlossenen Endgeräte. Ein LoRaWAN-Netzwerk kann mehr als einen Anwendungsserver nutzen.

Energieverbrauch und Datenrate
LoRaWAN-Endgeräte sind für den Betrieb im Energiesparmodus optimiert und können mit einer einzigen Knopfzellenbatterie bis zu 10 Jahre lang betrieben werden. Dies wird erreicht, indem der Sensor sich normalerweise im Sleep-Modus befindet und für die Versendung des Signals nur kurz aktiviert wird. Zur Maximierung der Batterielebensdauer der Sensoren und der gesamten Netzwerkkapazität verwaltet der LoRaWAN-Netzwerkserver die verwendete Datenrate für jedes Endgerät individuell mittels einer adaptiven Datenrate (ADR, (5)) einzeln für jeden Sensor.

Die Datenraten reichen von 0,3 bis 50 kBit/s. Zieht man bei einer physikalischen Paketgröße von 64 Byte die 13 Byte für den Header ab, bleiben 51 Byte für die Nutzdaten übrig. Das bedeutet, dass man über LoRa keine Audio-, Foto- oder Videodateien verschicken kann, wohl aber kleine Datenpakete, wie sie bei Temperatur-, Luftdruck-, Luftfeuchte-, CPM- (Counts per Minute für Radioaktivität) oder Feinstaubmessungen entstehen.

Geringe Kosten
Bei der Nutzung des LoRAWAN-Frequenzspektrums fallen keine teuren Lizenzgebühren an. Auch die preiswerten Hardware-Module und die Open-Source-Software tragen zu dieser insgesamt sehr kostengünstigen IoT-Funktechnologie-Lösung bei.

LoRaWan-Anwendungen im Natur- und Umweltschutz (Beispiele)

Feinstaub-Messung, Community-Projekt von Sensor.Community (6)
Tier-Tracking (Sensoren überwachen gefährdete Arten wie Spitzmaulnashörner und Amur-Leoparden)
Wassereinsparung – Erkennung und schnellere Reparatur von Lecks im städtischen Wassernetz
Bodenfeuchtigkeitsmessung in Echtzeit und optimierte Bewässerungspläne reduzieren den Wasserverbrauch in der Landwirtschaft
Radioaktivitätsmessung, Community-Projekt von Ecocurious (7)

*Geigerzähler mit LoRa-Modul* | Quelle: Steffen Grau

The Things Network (TNN)
TTN ist eine Community-basierte Initiative, die 2015 von den Niederländern Wienke Giezeman und Johan Stokking gegründet wurde (8). Ziel ist es, ein globales, offenes, kostenloses und dezentrales Funknetzwerk auf LoRa-Basis für das Internet der Dinge (IoT) zu schaffen. Es gibt zahlreiche lokale Communities mit über 130.000 Freiwilligen in 150 Ländern weltweit. (9)

Größere Communities in Deutschland sind:

TTN Mitteldeutschland (https://www.thethingsnetwork.org/community/mitteldeutschland/)
TTN Region Stuttgart (https://www.thethingsnetwork.org/community/region-stuttgart/)
TTN Berlin (https://www.thethingsnetwork.org/community/berlin/)

Die Netzabdeckung und die Reichweite lässt sich hier sehr gut auf dem TTN-Mapper beobachten. (https://ttnmapper.org/)

Quellen und Links:

Autorin: Nicola Wettmarshausen

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