LoRaWAN
LoRaWAN ist das Funknetz, mit dem winzige Sensoren kilometerweit und sehr stromsparend Daten senden.
Ein Sensor, mehrere Gateways, ein Network-Server und dahinter der App-Server. LoRaWAN ist das Netzwerk, das viele LoRa-Sensoren verwaltet.
In 30 Sekunden
LoRaWAN ist ein Funknetz für kleine, batteriebetriebene Sensoren. Sie senden nur selten und nur wenige Daten, dafür aber über viele Kilometer, und das jahrelang mit einer einzigen Batterie. Ein Sensor sendet seine Messung einfach in die Luft. Mehrere Antennen-Stationen, Gateways genannt, empfangen dieselbe Nachricht gleichzeitig. Ein zentraler Rechner, der Netzwerk-Server, wirft die doppelten Kopien weg und leitet nur eine an die eigentliche Anwendung weiter. Du triffst LoRaWAN überall dort an, wo Dinge über weite Flächen günstig vernetzt werden sollen, etwa Wasserzähler, Parkplatz-Sensoren oder Bodenfeuchte-Messer auf dem Feld.
Stell dir vor, du stehst mitten auf einem grossen Feld und rufst einen kurzen Satz laut in alle Richtungen. Du weisst gar nicht, wer zuhört, du rufst einfach. Rund um das Feld stehen mehrere Wachtürme, und oft hören drei oder vier von ihnen deinen Ruf gleichzeitig. Mehrere Türme sind Absicht: Fällt einer aus oder steht ein Haus im Weg, hört dich trotzdem ein anderer. Jeder Turm schreibt mit, was er gehört hat, und schickt es per Telefon an eine zentrale Leitstelle. Die Leitstelle merkt: Das ist ja viermal derselbe Satz, ich behalte nur eine saubere Kopie und reiche sie an die richtige Abteilung weiter. Und weil das Rufen anstrengend ist, machst du es nur kurz und selten, so hält deine Kraft, also deine Batterie, sehr lange. Willst du eine Antwort, hörst du direkt nach deinem Ruf nur ganz kurz zwei Mal hin. Wer dir antworten will, muss genau dieses schmale Zeitfenster treffen, sonst verpasst er dich. Dieses kurze Hinhören ist der Trick, mit dem du deine Kraft schonst.
Wo trifft man LoRaWAN an?
Smart City
Städte vernetzen über LoRaWAN tausende Sensoren auf grosser Fläche: freie Parkplätze, volle Abfalleimer oder die Beleuchtung. Ein einzelnes Gateway auf einem hohen Dach deckt dabei oft mehrere Quadratkilometer ab.
Zählerauslesung (Metering)
Wasser-, Gas- und Wärmezähler in Kellern melden ihren Stand per LoRaWAN, statt dass jemand von Hand ablesen muss. Der Funk durchdringt auch dicke Wände und Tiefgeschosse noch brauchbar.
Landwirtschaft
Auf Feldern und in Ställen messen Sensoren Bodenfeuchte, Temperatur oder Füllstände von Tanks. Weil es dort keine Steckdose und kein WLAN gibt, punktet LoRaWAN mit Reichweite und jahrelanger Batterielaufzeit.
Gebäude- und Anlagenüberwachung
In grossen Liegenschaften melden LoRaWAN-Sensoren offene Türen, Wasserlecks, Raumklima oder die Temperatur in Kühlräumen an eine zentrale Stelle, ohne dass neue Kabel gezogen werden müssen.
Logistik und Tracking
Container, Rollwagen oder Werkzeuge tragen kleine Sender, die selten ihre Position oder ihren Zustand melden. Das reicht, um grobe Standorte und Bewegungen über weite Strecken günstig zu verfolgen.
Umwelt- und Infrastruktur-Messung
Pegelstände von Flüssen, Luftqualität oder die Auslastung von Brücken werden mit weit verteilten Sensoren erfasst, die über Jahre ohne Wartung an entlegenen Orten laufen.
Gut geeignet für
- Wenn Sensoren über weite Strecken senden müssen: Ein LoRaWAN-Signal reicht in der Stadt grob 2 bis 5 Kilometer, auf flachem Land bis über 10 Kilometer, je nach Umgebung.
- Wenn Geräte jahrelang mit einer Batterie laufen sollen, weil ein Sensor die meiste Zeit schläft und nur kurz und selten funkt, je nach Sendehäufigkeit 5 bis 10 Jahre mit einer einzigen Knopf- oder AA-Batterie.
- Wenn es um kleine, seltene Datenmengen geht, etwa einen Zählerstand oder einen Messwert alle paar Minuten oder Stunden. Pro Nachricht passt nur so viel wie eine kurze SMS, ein Foto ginge nie.
- Wenn du ein eigenes Funknetz ohne SIM-Karte und ohne monatliche Mobilfunk-Gebühr aufbauen willst, weil LoRaWAN im frei nutzbaren Funkbereich arbeitet und ein einziges Gateway in der Praxis mehrere tausend Sensoren versorgt.
- Wenn du selbst entscheiden willst, ob du ein eigenes, privates Netz betreibst oder einen öffentlichen Anbieter beziehungsweise das kostenlose The Things Network mitnutzt.
Weniger geeignet für
- Für grosse Datenmengen wie Bilder, Video-Streams oder Software-Updates ist LoRaWAN zu langsam; hier passt besser WLAN (der Funk-Klassiker mit hohem Durchsatz) oder Mobilfunk wie LTE-M und NB-IoT (sparsame Handynetz-Varianten für Geräte, mit SIM-Karte und meist monatlicher Gebühr).
- Wenn ein Gerät jederzeit sofort eine Antwort empfangen muss, passt der sparsame Standardmodus (Klasse A) nicht, denn er lauscht nur kurz nach dem Senden. Dann braucht es Klasse C (immer empfangsbereit) oder gleich Mobilfunk.
- Für sehr häufiges Senden im Sekundentakt bremst die gesetzliche Sendezeit-Begrenzung im 868-MHz-Band; hier ist WLAN oder Mobilfunk die bessere Wahl.
- Für sehr grosse, dicht funkende Sensormengen skaliert LoRaWAN nicht beliebig: Senden zu viele Geräte zu oft, stossen die Funknachrichten zusammen und gehen verloren; dann lohnt sich eine seltenere Sendung oder ein anderes Netz wie Mobilfunk.
Fakten
- LoRa Alliance, ein offener Industrie-Zusammenschluss; LoRaWAN ist der offene Netzwerk-Standard, der auf der Funktechnik LoRa aufsetzt
- Stern-von-Sternen: Sensoren funken zu Gateways, die Gateways sind sternförmig mit dem zentralen Netzwerk-Server verbunden
- Klasse A (sparsamst, hört nur kurz nach dem Senden), Klasse B (zusätzliche, fest geplante Empfangsfenster), Klasse C (fast immer empfangsbereit, dafür höherer Verbrauch)
- OTAA (Anmeldung per Funk, empfohlen, Schlüssel werden bei jeder neuen Anmeldung frisch ausgehandelt) oder ABP (Schlüssel fest im Gerät hinterlegt, einfacher, aber weniger sicher)
- 868-MHz-Band, ein frei nutzbarer Funkbereich; unterliegt einer gesetzlichen Sendezeit-Begrenzung (Duty-Cycle, meist rund 1 Prozent der Zeit pro Frequenz-Sub-Band, also grob 36 Sekunden Sendezeit pro Stunde)
- Ende-zu-Ende mit AES-128; NwkSKey sichert die Echtheit auf Netzwerk-Ebene, AppSKey verschlüsselt die eigentlichen Nutzdaten bis zum Anwendungs-Server
- je nach Umgebung mehrere Kilometer (Stadt grob 2 bis 5 km, freies Land bis über 10 km), dafür sehr kleine Datenraten (wenige Zeichen pro Nachricht)
- keine Mobilfunk-Gebühr pro Gerät (frei nutzbarer Funkbereich, keine SIM-Karte); ein einzelnes Gateway versorgt in der Praxis mehrere tausend Sensoren
Im Detail
Stern-von-Sternen: viele Ohren, ein Gehirn
LoRaWAN ist nach dem Muster Stern-von-Sternen aufgebaut. In der Mitte sitzt der Netzwerk-Server, das Gehirn des Netzes. Um ihn herum stehen mehrere Gateways, das sind Antennen-Stationen, oft auf hohen Dächern oder Masten. Jedes Gateway ist über eine normale Internet-Leitung mit dem Netzwerk-Server verbunden.
Wichtig ist: Die Gateways sind keine klugen Vermittler, sondern einfache Zuhörer. Sie fangen die Funksignale der Sensoren auf, verpacken sie und reichen sie unverändert an den Netzwerk-Server weiter. Ein Sensor gehört dabei zu keinem festen Gateway. Er ruft einfach in die Luft, und jedes Gateway in Hörweite darf mitschreiben.
Der Uplink: senden ohne Adresse, mehrfach empfangen
Wenn ein Sensor etwas mitteilen will, schickt er einen sogenannten Uplink, eine Nachricht von unten nach oben. Er sendet sie einfach los, ohne ein bestimmtes Gateway anzusprechen. Genau darin liegt der Trick: In der Praxis empfangen oft mehrere Gateways gleichzeitig dieselbe Nachricht.
Alle diese Gateways schicken ihre Kopie an den Netzwerk-Server. Der erkennt, dass es sich um dieselbe Nachricht handelt, und wirft die Doppel weg. Das nennt man Deduplizierung, also das Entfernen von Kopien. Der Server behält nur eine saubere Kopie und wählt in der Regel das Gateway mit dem besten Empfang aus, falls später eine Antwort zurückgeschickt werden muss.
Danach reicht der Netzwerk-Server die Nutzdaten an den Anwendungs-Server weiter. Das ist der Teil, in dem deine eigentliche Anwendung sitzt, zum Beispiel das Dashboard, also die Übersichtsseite am Bildschirm, die die Zählerstände anzeigt.
Der Downlink und die drei Geräteklassen
Eine Antwort vom Netz zurück an das Gerät heisst Downlink, von oben nach unten. Beim sparsamsten Modus, der Klasse A, geht das nur in zwei kurzen Zeitfenstern direkt nach einem Uplink. Der Sensor sendet, macht dann für kurze Zeit zwei Mal die Ohren auf, und schläft danach wieder. Wer ihm etwas sagen will, muss genau eines dieser Fenster treffen. Diese strenge Regel ist der Grund, warum ein Klasse-A-Gerät jahrelang mit einer Batterie auskommt.
Klasse B fügt zusätzliche, fest geplante Empfangsfenster hinzu. Dazu bekommen die Geräte über die Gateways ein Taktsignal (Beacon), damit sie und das Netz zur selben Zeit bereit sind. So kann das Netz ein Gerät auch ausserhalb eines Uplinks erreichen, in vereinbarten Abständen.
Klasse C lässt das Empfangsfenster fast dauernd offen und schliesst es nur, während das Gerät selbst sendet. Damit ist ein Klasse-C-Gerät jederzeit erreichbar, verbraucht aber deutlich mehr Strom und braucht meist eine feste Stromversorgung.
Aktivierung, Sicherheit und die Sendezeit-Grenze
Bevor ein Gerät funken darf, muss es aktiviert werden. Bei OTAA (Anmeldung per Funk) führt das Gerät beim Start einen kurzen Anmelde-Ablauf durch, bei dem die Sicherheitsschlüssel frisch für diese Anmeldung ausgehandelt werden. Das ist die empfohlene Methode. Bei ABP sind Adresse und Schlüssel dagegen fest im Gerät hinterlegt. Das ist einfacher einzurichten, aber weniger sicher, weil die Schlüssel starr bleiben.
Der Schutz der Daten ist von Anfang an eingebaut. LoRaWAN verschlüsselt mit AES-128, einem verbreiteten und starken Verschlüsselungsverfahren. Dabei gibt es zwei Schlüssel: Der NwkSKey sichert auf Netzwerk-Ebene, dass eine Nachricht echt und unverändert ist. Der AppSKey verschlüsselt die eigentlichen Nutzdaten so, dass sie erst beim Anwendungs-Server wieder lesbar werden. Selbst das Gateway und der Netzwerk-Server sehen den Inhalt nicht im Klartext.
Eine wichtige Grenze setzt das Gesetz: Das in Europa genutzte 868-MHz-Band ist frei, aber es gilt eine Sendezeit-Begrenzung, der sogenannte Duty-Cycle. Vereinfacht darf ein Gerät auf einer Frequenz-Gruppe (Sub-Band) nur einen kleinen Bruchteil der Zeit senden, meist rund 1 Prozent, also grob 36 Sekunden pro Stunde. Deshalb schickt ein LoRaWAN-Sensor bewusst nur kurze Nachrichten und das eher selten.