LoRaWAN: Vorteile, Nachteile, Beispiele, Nachfolger, Reichweite, Sensoren

LoRaWAN steht in der SmartCity und in weiten Bereichen der Industrie-Automation und -Überwachung für ein Netzwerkprotokoll, das aus der IoT nicht mehr wegzudenken ist. Doch aktuelle Entwicklungen zeigen, dass LoRaWAN eben doch nur sehr begrenzte Einsatzmöglichkeiten hat – und künftig wohl durch neue internationale Standards wie DECT 2020 NR verdrängt werden wird.

LoRaWAN: die Definition

LoRaWAN steht für Long Range Wide Area Network. Es realisiert die Übermittlung von Daten, die von schwer zugänglichen Sensoren und Messeinrichtungen über eine Strecke von mehreren Kilometern drahtlos gesendet werden müssen, über ein Low Power Wide Area Network (LPWAN). Somit ist ein LoRaWAN-Netzwerk für Kommunen geeignet, die bei der Messdatenerhebung an verschiedensten Stellen auf IoT (Internet of Things – das Internet der Dinge) setzen. Es sind Standorte von Sensoren an Ampeln, Parkplätzen, Recyclingcontainern, Flussläufen oder im Boden denkbar.

Vorteile

Von Vorteil ist die hohe Reichweite von weit über 10 km auf freier Strecke, stabile Verbindungen durch Hindernisse hindurch und der niedrige Energieverbrauch der Sensoren. Daher können sie über mehrere Jahre ohne Batterietausch betrieben werden. Diese Eigenschaften führen dazu, dass LoRa-Sensoren an schwer zugänglichen Orten eingesetzt werden können.

Nachteile

Der Einsatz an schwer zugänglichen Orten führt zu einem Nachteil, denn der Installationsaufwand kann entsprechend hoch sein, je schwerer ein Sensor an seinem Bestimmungsort zu platzieren ist. Hierfür fallen gegebenenfalls hohe Bau- oder Montagekosten an. Entsprechend arbeitsintensiv ist auch die spätere Wartung. Ein weiterer Nachteil ist, dass der LoRa-Standard nicht gänzlich offen und für jedermann verfügbar ist. Denn die Fertigung der zu verwendenden Funkchips ist der Firma Semtech vorbehalten. Sie ist ein Gründungsmitglied der LoRa Alliance, die den LoRa-Standard entwickelt und verabschiedet hat.

Wettbewerber und Nachfolger von LoRaWAN

Überträgt man die genannten Vor- und Nachteile ins industrielle Umfeld, werden die Schwächen noch wesentlich deutlicher. Daher hat LoRaWAN mit Wettbewerbern zu kämpfen, welche diese Nachteile eben nicht aufweisen. Doch sollte man fairerweise ncht nur bashen, sondern auch die Vorteile anerkennen: LoRaWAN-Sensoren sind interoperabel und in allen Netzen einsetzbar.

Nachfolgend die Verfahren, die LoRaWAN outperformen: so zum Beispiel bei Skalierbarkeit und Updatefähigkeit.

• DECT 2020 NR: schneller, zuverlässiger und skalierbarer: bis 1 Million Geräte pro km²!

  Hier darf man getrost vom Nachfolger von LoRaWAN sprechen. Mit dem neuen Standard DECT 2020 NR hat kündigt sich das Ende der LoRaWAN -Ära an, denn das Konzept arbeitet mit höherer Bandbreite und vor allem ohne Flaschenhals des zentralen Operators und baut Sensornetze auf weitere Distanzen (200m indoor und 3km outdoor) auf. Die eine höhere Zuverlässigkeit und Performance ist in praktischen Anwendungen ermittelt. Die Grundlage hierfür ist die Meshtechnologie des finnischen Herstellers Wirepas, der an der Entwicklung des DECT 2020 NR Standards maßgeblich mitgearbeitet hat. Die Sensoren im IoT-Mesh konnektieren sich selbst ohne jegliches menschliches Zutun, benötigen keinen zentralen Operator und arbeiten fehlertolerant. Sollte ein Knoten im Mesh ausfallen, werden die Daten automatisch über Nachbarknoten geroutet. Die letzte Domäne von LoRaWAN – Smart City / Smart Production – dürfte sehr schnell DECT 2020 NR zufallen, denn gerade hohe Dichten von IoT-Sensoren sind die Spurtstrecke von DECT 2020 NR mit Gerätedichten von 1 Million Geräten pro km².

• Mioty kann besser Skalieren

  Im IoT Umfeld ist stets ein zentrales Problem zu nennen: Interferenzen verschiedener eingesetzter Systeme auf den Frequenzbändern. Und zusätzlich Kollisionen der Datenpakete – oftmals auch innerhalb eines Systems wie dem LoRaWAN-Netz. Beides verhindert, dass solche Netze eine steigende Zahl an Sensoren bedienen können: das sogenannte Skalieren ist dann nicht mehr zuverlässig abbildbar.

  Mioty kann eben wesentlich besser skalieren als LoRaWAN. Denn Mioty wurde gerade dafür geschaffen, eine sehr große Zahl an IoT-Knoten auch über große Distanzen zu pollen. Die Technik von Mioty ist dabei sehr raffiniert. Mit Telegram Splitting Multiple Access (TSMA) setzt man auf eine Technik aus dem ETSI TS 103 357 Standard. Ein Datenpaket wird zur Übertragung in mehrere Unterpakete zerlegt. Dabei werden mit Vorwärtsfehlerkorrekturalgorithmen so viele zusätzliche, redundante Pakete erzeugt, dass es für TSAM genügt, wenn nur 50% der gesendeten Unterpakete tatsächlich ankommen, um das zu übermittelnde Datenpaket zu rekonstruieren. Eine zweite Technik wird eingesetzt, die Unterpakete werden pseudozufällig versendet. Dabei werden sowohl die Sendefrequenzen als auch der Senderhythmus permanent variiert. Dies reduziert die Wahrscheinlichkeit, dass es zu Paketkollisionen und zu Interferenzen kommt.

• NB IOT kann man besser updaten und ist zuverlässiger

  Narrowband-IoT (NB-IoT) übertrifft LoRaWAN bei Updatefähigkeit und bei der Zuverlässigkeit.

Infografik: LoRaWAN Beispiele für Anwendungen

LoRa und LoRaWAN

Hierbei ist zwischen den Begrifflichkeiten zu unterscheiden. So bezeichnet „LoRa“ die physikalischen Gegebenheiten der Hardware, während „LoRaWAN“ die Software-Schicht zur Realisierung der Funkverbindungen umschreibt. Die Hardware ist an das Unternehmen Semtech gebunden, LoRaWAN ist offen und frei verfügbar.

Was sind LoRaWAN-Sensoren?

Diese Sensoren sind die Endgeräte eines LoRa-Netzwerks. Sie ermitteln die Daten, die zu verarbeiten sind und senden sie an alle Gateways. Es gibt Sensoren für die Messung von Gaskonzentrationen, Feuchtigkeit, Energieverbrauch, Temperaturen, Positionsangaben und viele weitere Werte. Aufgrund des niedrigen Energiebedarfs, den der LoRa-Standard festlegt, können diese Endgeräte mehrere Jahre mit Batterien betrieben werden.

Infografik: Die Architektur von LoRaWan mit Endgeräten, Gateways, Applications-Server. Erkennbar ist der Übergang der Datenübertragung von LoRa auf eine IP-Verbindung

Wie funktioniert LoRaWAN?

Die Sensoren kommunizieren ausschließlich mit den LoRa-Gateways, nicht untereinander. Somit hat das Netzwerk eine sternförmige Struktur.

Die Geräte nutzen in Europa die Frequenzbereiche:

• von 433,05 bis 434,79 MHz (ISM-Band Region 1) und
• 863 bis 870 MHz (SRD-Band Europa),
• in Nordamerika 902 bis 928 MHz (ISM-Band Region 2).

Mit Frequenzspreizung, unterschiedlichen Kanälen und einer Abdeckung durch mehrere Gateways ist quasi ein störungsfreier Funkverkehr möglich.

Die Datenrate beträgt je nach Funkkanal zwischen 0,3 und 50 kbit/s. Somit können zwar relativ wenig Daten gesendet werden, dafür über eine große Entfernung. Die Gateways stehen über ein wesentlich leistungsfähigeres Netzwerk wie LAN oder LTE mit dem Netzwerkserver in Verbindung. Dieser Server ist für die Verwaltung des Netzwerks und die Weitergabe an eine LoRaWAN-Software zur Datenverarbeitung sowie -speicherung zuständig.

Wie können Sensoren in LoRaWAN selbst Daten empfangen?

Grundsätzlich kann jedes Endgerät in einem LoRaWAN-Verbund Daten empfangen. Die Unterteilung von LoRa-Modulen in die Geräteklassen A, B und C legt fest, zu welchen Zeitpunkten das Gerät zum Datenempfang bereit ist. Hiernach richtet sich sein Energieverbrauch.

• LoRa-Module Klasse-A-Geräte

  Diese eröffnen bei jedem Transfer, während dessen sie Daten an das Gateway senden, ein Empfangsfenster, in welchem sie bereit sind, selbst Informationen zu erhalten. Eine Sekunde nach der Uplink-Übertragung, dem Senden an das Gateway, wird ein Downlink-Fenster geöffnet. Nun kann der Netzwerkserver über das Gateway Daten an den Sensor schicken. Wird diese erste Gelegenheit zum Senden nicht genutzt, steht eine Sekunde später eine weitere zur Verfügung. Danach kann erst beim nächsten Uplink der dazugehörige Downlink verwendet werden. Klasse-A-Geräte befinden sich zwischen den Up- und Downlink-Aktionen in einem permanenten Ruhemodus, was den Energiebedarf deutlich reduziert. Allerdings ist die Verzögerung für das Senden von Informationen an das Endgerät hier am höchsten. Alle LoRaWAN-fähigen Geräte müssen diese Klasse-A-Funktionalität unterstützen.

• LoRa-Module Klasse-B-Geräte

  Diese initiieren in regelmäßigen Zeitabständen eine Downlink-Möglichkeit zum Datenempfang, die nicht vom Uplink-Transfer abhängig ist. Alle 128 Sekunden sendet das Gateway ein Beacon-Signal zur Synchronisation an alle Endgeräte und teilt jedem ein Downlink-Zeitfenster zu. Somit muss ein Sensor während dieser Zeit nur zwei Mal für einen Empfang aus dem Ruhemodus aufwachen, für das Beacon-Signal und den Downlink-Transfer. Die Verzögerung zum Senden von Informationen beträgt hier maximal 128 Sekunden.

• LoRa-Module Klasse-C-Geräte

  Diese sind durchgehend empfangsbereit und versetzen sich somit nicht in einen Schlafmodus. Dies geht sehr zu Lasten des Energieverbrauchs. Daher sind sie für Batteriebetrieb ungeeignet.

Beispiele: Wo wird LoRaWAN eingesetzt?

Der LoRaWAN-Standard erlaubt die Übertragung geringer Datenmengen über eine große Entfernung und kann Gebäude durchdringen. Dazu kommt ein jahrelanger Betrieb ohne Batteriewechsel. Überall, wo Messgeräte an schwer zugänglichen Stellen eingesetzt werden und eine IoT-Struktur entstehen soll, kann ein LoRa-Netzwerk aufgebaut werden. Dies erlaubt „smarte“ Lösungen für:

• Kommunen
• weitläufige Industrieanlagen
• Landwirtschaftsbetriebe
• Wohnhäuser wie Eigenheime oder Gebäude mit Mietwohnungen
• Transportgewerbe.

Was braucht man für LoRaWAN?

Für ein LoRaWAN sind grundsätzlich dreierlei Komponenten erforderlich.

• Die Sensoren

  Zum Einen die Sensoren, die den LoRa-Standard unterstützen. Abhängig von ihrem geplanten Einsatzzweck sind sie so beschaffen, dass sie die notwendigen Messwerte erfassen und zur zweiten Komponente, dem Gateway senden.

• Die Gateways

  Ein LoRaWAN-Verbund kann aus mehreren Gateways bestehen. Zu allen erreichbaren Gateways schickt ein Sensor seine Daten. Die Auswertung bewerkstelligt die dritte Komponente, der Netzwerkserver, der mit den Gateways über eine leistungsfähige Verbindung mit mehr Bandbreite kommuniziert.

• Der Netzwerkserver

  Dieser Server verwaltet das Netzwerk und filtert gegebenenfalls die mehrfache Übertragung einzelner Sensoren heraus, um nur jeweils einen eindeutigen Datensatz zu erhalten. Er sendet das Beacon-Signal zur Synchronisation der Sensoren und stößt den Daten-Uplink an.

Hinter dem Netzwerkserver kann ein weiterer Applikationsserver oder eine Cloudanwendung stehen, die miteinander ebenfalls über eine breitbandige Verbindung kommunizieren. Hier geschieht die Verarbeitung und Speicherung der Messwerte. Gegebenenfalls sendet diese Anwendung Daten wie Grenzwerte oder Statusabfragen über den Netzwerkserver und die Gateways bis hin zu den Sensoren.

Was kostet LoRaWAN?

Da der LoRa-Standard im zuteilungsfreien Frequenzbereich operiert, fallen hier keine Gebühren für die Nutzung eines Funknetzes an. Auch ist der Betreiber frei von zentralen Kommunikationsanbietern. Die hohen Kosten fallen für die Installation der LoRa-Struktur mit dem Netzwerkserver, den Gateways und den Sensoren sowie für den laufenden Betrieb an.

• Kosten der Sensoren

  Die Anschaffungskosten für die Sensoren samt Funkmodul und Energiespeicher unterscheiden sich je nach Art des Sensors und beginnen im Bereich von etwa 20 bis 100 Euro. Sensor-Nodes nur mit Funk- und Batterieeinheit ohne spezifischen Sensoraufsatz kosten ab etwa 50 Euro.

• Kosten der Gateways

  Gateways für den Innen- und Außeneinsatz sind für Preise zwischen 200 und 400 Euro zu haben. Hier sollte die Qualität im Vordergrund stehen, mit der die Zuverlässigkeit einhergeht. Hochwertige Outdoor-Gateways können auch mit etwa 1.000 Euro zu Buche schlagen. Für einen störungsfreien Betrieb werden mindestens zwei Gateways benötigt, um bei einem Ausfall eine Reserve zu haben.

• Der Netzwerkserver

  Die Anschaffungskosten für den Netzwerkserver hängen sehr von der verwendeten Hardware ab. Für die Software zur Verwaltung eines LoRaWAN gibt es Open-Source-Lösungen auf Linux-Basis. Diese sind frei verfügbar und ohne Lizenzkosten zu verwenden. Daher genügt im Prinzip ein handelsüblicher Büro-PC mit durchschnittlicher Hardwareausstattung. In professionelleren Umgebungen können Server vorkommen, die auch die Verarbeitung der Daten bis hin zur Speicherung übernehmen. Sie können zugleich den Anforderungen an Ausfallsicherheit, Datenlieferung für mehrere Benutzer in Echtzeit und Datenanalyse genügen. Je nach Anwendungsfall und Ausstattung kostet ein Server mehrere Hundert Euro, leistungsfähigere Maschinen erreichen schnell einen mittleren bis hohen vierstelligen Eurobetrag.

Gerade die Gateways sind für einen guten Empfang darauf angewiesen, an möglichst hoch gelegenen Orten wie Masten, Dachböden oder Kirchtürmen platziert zu werden. Hier sind eventuell einmalige Ausgaben für Handwerker, Stromanschlüsse und Verkabelung zu berücksichtigen. Besonders zu Buche können die Installationskosten für die Sensoren schlagen. Da diese dort platziert werden, wo sonst keine empfindliche Elektronik im Einsatz ist, können teils hohe Kosten für Baumaßnahmen, Personal oder schweres Gerät entstehen.

Hinzu kommen die laufenden Energiekosten der Gateways und insbesondere des Servers. Dieser kann schnell einen dreistelligen Wattbetrag verbrauchen. Läuft die LoRa-Anwendung bei einem Cloud-Dienstleister, fallen hier ebenfalls regelmäßige Kosten an. Unregelmäßige Ausgaben für die Störungsbeseitigung sind bei allen Komponenten einzuplanen. Dies gilt insbesondere bei schwer erreichbaren Gateways und Sensoren.

Somit können einmalige Installationsausgaben für ein LoRa-Netzwerk im niedrigen bis mittleren oder gar hohen vierstelligen Bereich und darüber nötig sein.

Der generierte Mehrwert einer Infrastruktur auf LoRa-Basis sollte die Installations- und Betriebskosten mindestens ausgleichen. Doch hierbei spielen nicht nur monetäre Überlegungen eine Rolle. Durch Sensorüberwachungen können Routen kommunaler oder gewerblicher Fahrzeuge wie der Müllabfuhr oder von Wartungsfahrzeugen optimiert und so die Umweltbelastungen gesenkt werden. Gleiches gilt für das lokale Ablesen von Messwerten für Pegelstände, Energieverbrauchsanzeigen oder das Bewässern landwirtschaftlicher Flächen. Sogar Sach- oder Personenschäden können in bestimmten Bereichen durch digitalisierte Überwachung vermieden werden.

Häufige Fragen zu LoRaWAN

Wie viel dBi erlaubt LoRaWAN?

Der Antennengewinn, in dBi angegeben, beschreibt, wie sich die Sendeleistung einer Antenne im Vergleich zu einem isotropen Kugelstrahler verhält. Ein isotroper Kugelstrahler ist eine ideale Antenne, die nur in der Theorie vorkommt und technisch nicht zu realisieren ist. LoRaWAN erlaubt für Sendeeinrichtungen einen Antennengewinn von maximal 2,15 dBi.

Dies ist abhängig von mehreren Faktoren. Der Standort von Sensoren und Gateways ist ebenso entscheidend wie die Bauform und Qualität der Antennen, das Material der Anschlussverbindungen, die Nähe zu anderen Funkanlagen sowie Bebauung oder natürliche Hindernisse wie Wälder und Berge.

In der Theorie werden Reichweiten zwischen zwei und bis zu 40 km angegeben. Der Weltrekord liegt bei 702 km, was allerdings von Sensoren an einem Wetterballon in über 38 km Höhe erreicht wurde.

Reale Versuchsanordnungen dokumentieren Reichweiten in Großstädten von 800 m bis 1,5 km. In einem weniger stak bebauten Vorort konnten 3,4 km erreicht werden. Wichtig ist, in welcher Höhe sich das Gateway befindet. Dies kann auf Dächern oder in oberen Stockwerken sein. Eine höhere Position erweitert die verfügbare Entfernung erheblich. Auch innerhalb von Gebäuden können abhängig von der Höhe des Gateways wenige bis mehrere hundert Meter überbrückt werden.

Außerhalb von bebauten Gebieten waren bei Experimenten mit Sichtverbindung zwischen Gateway und Sensor gar Distanzen von mehr als 20 km möglich. Dagegen liegt die theoretische Reichweite unter Wasser nur bei etwa 20 cm.

Wo ist LoRaWAN verfügbar?

Die LoRa Alliance ist eine gemeinnützige Organisation, deren Mitglieder die technischen Grundlagen und Standards des LoRa entwickelt und verabschiedet haben. Zu ihr gehören Hardwarehersteller und Telekommunikationsanbieter. In mehr als 170 Ländern stellen diese Mitglieder Netzwerke, basierend auf dem LoRa-Standard, für Kommunen und Gewerbetreibende, die Forschung sowie Privatpersonen zur Verfügung.

An einen existierenden LoRa-Verbund kann sich der interessierte Nutzer unter Umständen anschließen. Manche Betreiber vermieten ihre Netzwerke, was den Anwendern und Anbietern zugute kommt. Auch freie LoRa-Infrastrukturen laden zum Mitmachen ein, solange alle Teilnehmer ihre Gateways zur Nutzung freigeben. Eine solche Gemeinschaft ist TheThingsNetwork (TTN), welches weite Teile von Mitteleuropa und den USA abdeckt.

Beispiele: typische Anwendungsfälle für LoRaWAN

Erfassung von Pegelständen an kritischen Flussläufen

Flüsse in von Hochwasser gefährdeten Regionen verlangen bei kritischen Wetterlagen besondere Aufmerksamkeit. Die Vergangenheit hat gezeigt, wie wichtig auch in Deutschland die Überwachung und Vorhersage von Überschwemmungen ist. Mit LoRaWAN-Sensoren können Veränderungen an Flusspegeln ausgewertet und schnell steigende Werte für Alarmierungen genutzt werden. Dies ist für den Katastrophenschutz und Evakuierungen von weitreichender Bedeutung. Das manuelle Ablesen und Auswerten von Pegelständen kann im Ernstfall unzureichend sein. Eine engmaschige Kontrolle der Wasserstände hilft, verheerende Gefahren für Leib und Leben abzuwenden. LoRaWAN-Sensoren sind an solchen Stellen nützlich, da sie nur einmal installiert und die Batterien erst nach einigen Jahren getauscht werden müssen. Das Gateway kann im nahen städtischen Raum aufgestellt werden. Eine Datenübertragung wenige Male pro Stunde genügt.

Busankunfts- und -abfahrtzeiten in Echtzeit

LoRaWAN-Sensoren können Positionsangaben von Bussen an Gateways im befahrenen Stadtgebiet senden. Diese werden in exakte Ankunftszeiten umgerechnet und auf Anzeigetafeln an den Haltestellen angezeigt. Dieser Service kann auf die Apps der Nahverkehrsbetriebe ausgeweitet werden. So können sich Fahrgäste auf eventuelle Verspätungen oder Ausfälle einstellen und Anschlussverbindungen kurzfristig planen. Für die Übermittlung der Daten in kurzen Abständen sind Klasse-C-Sensoren denkbar, da sie an die Stromversorgung des Busses angeschlossen werden und nicht auf eine lange Batterielaufzeit angewiesen sind. Dies steigert die Attraktivität der öffentlichen Verkehrsmittel und kann Bürger zum Umstieg auf Busse und Bahnen bewegen.

Überwachung und effiziente Bewirtschaftung von Agrarflächen

Die Landwirtschaft sieht sich wachsenden Herausforderungen hinsichtlich Klimawandel und Bevölkerungswachstum gegenüber. Die Effizienz von Agrarbetrieben gewinnt somit in Zukunft an Bedeutung. Die Überwachung der Viehhaltung und von Boden- und Luftfeuchtigkeit sowie anderen relevanten Werten trägt zur Optimierung der landwirtschaftlichen Prozesse bei. Bauern verfügen meist über mehrere Flächen von der Größe einiger Hektar. Mit LoRaWAN können über diese weiten Entfernungen wichtige Parameter gesammelt und ausgewertet werden. Dies führt zu nachhaltiger und effizienter Bewirtschaftung, da Maschinen oder Bewässerungsanlagen etwa nur dann eingesetzt werden, wenn die ermittelten Daten dies nahelegen. Einige Staatsregierungen sind durchaus bereit, derartige Projekte zu fördern.