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FAQ
Internet der Dinge / LoRaWAN® allgemein
Was versteht man unter dem „Internet der Dinge“ (IoT)?
Unter dem Begriff „Internet der Dinge“ versteht man eine großflächige Vernetzung verschiedener Geräte, die ohne menschlichen Einfluss miteinander kommunizieren können. Das Ziel des „Internet of Things“ ist es, automatisiert relevante Informationen aus der realen Welt zu sammeln und dem Netzwerk zur Verfügung zu stellen.
Die gesammelten Zustandsinformationen werden ausgewertet, um daraus sinnvolle Auswertungen bspw. zum Energiemanagement eines Gebäudes oder auch Aktionen wie das Öffnen/Schließen eines Ventils ableiten zu können. Voraussetzung für das Internet der Dinge ist eine standardisierte, sichere Übertragungstechnik, welche kostengünstige Endgeräte mit einem geringen Energieverbrauch sowie hoher Reichweite ermöglicht – alle diese Anforderungen werden durch LoRaWAN® abgedeckt.
Was ist ein LPWAN?
Die Abkürzung LPWAN steht für „Low Power Wide Area Network“. Wie der Name bereits beinhaltet, handelt es sich bei LPWANs um Technologien, welche bei einem geringen Energieverbrauch hohe Übertragungsreichweiten sowie eine gute Gebäudedurchdringung ermöglichen. LPWAN-Technologien wurden entwickelt, um die Anforderungen des „Internet of Things“ zu erfüllen, welche durch die klassischen Übertragungsstandards wie WLAN, Mobilfunk oder Bluetooth nicht realisiert werden können. Neben dem geringen Energieverbrauch sowie der hohen Reichweite, zeichnen sich LPWAN durch die hohe Skalierbarkeit der Anzahl an Endgeräten, die geringen Hardwarekosten und die Sicherheit der Übertragung aus. Eine Einschränkung liegt in der Bandbreite der Übertragung – es können lediglich kleine Datenmengen übertragen werden, was für Anwendungsfälle im Bereich „Internet der Dinge“ aber vollkommen ausreichend ist.
Was ist LoRaWAN® und wo liegt der Unterschied zu anderen LPWAN?
LoRaWAN® ist eine LPWAN-Spezifikation für batteriebetriebene, drahtlose Systeme in regionalen, nationalen oder globalen Netzwerken. Den Anforderungen für das Internet der Dinge (IoT) ist LoRaWAN® gewachsen, wie beispielsweise durch bidirektionale Kommunikation, Lokalisierung von Gegenständen oder Lebewesen und Mobilität.
LoRaWAN® ist im Vergleich zu anderen LPWAN am preiswertesten und kann weltweit in freien Funkbändern benutzt werden. Die Störsicherheit ist bei LoRaWAN® besonders hoch, aufgrund Frequenzspreizung durch den → “Spreading Factor”, sodass die Signale, trotz eventueller Störungen, vollständig übertragen werden können.
Wofür wird LoRa schon alles genutzt?
LoRaWAN® wird in der Wohnungswirtschaft für die Erfassung der Messwerte von Wärmezählern, Wasserzählern, Heizkostenverteilern sowie für die Funktionsprüfung von Rauchwarnmeldern eingesetzt. Dadurch werden die Voraussetzungen für die unterjährige Verbrauchsinfomation der Nutzer durch Fernablesung, welche durch die am 25.12.2018 in Kraft getretene Novellierung der EED-Richtlinie 2012/27/EU gefordert wird, bereits voll erfüllt. Zusätzlich ergeben sich durch die geringen Kosten pro Endgerät überall dort Anwendungsbereiche, wo bisher keine wirtschaftliche Erfassung von Zustandsinformationen möglich war. Hier sind als Beispiele das Tracken der Position von Objekten, die intelligente Steuerung der Straßenbeleuchtung, die Überwachung des Füllstandes von Mülltonnen, oder die Früherkennung von Wartungsbedarf bei Maschinen zu nennen.
Was unterscheidet LPWAN von klassischen Smart Home Funkstandards wie Zigbee, ZWave oder Bluetooth LE?
Die LPWA – Netzwerke decken einen größeren geographischen Bereich ab, als die klassischen Funkstandards. Diese gehören zu der Short Range Wireless (SRW) Technologie, geeignet eher für kurze Übertragungsweiten wie bspw. die Hausautomation. Weitere Vorteile der LPWAN sind der geringere Energieverbrauch und die Skalierbarkeit des Netzwerks. Ein kleiner “Nachteil” ist, dass man mit LPWAN nur Telegramme mit geringer Datenrate senden kann, was aber nicht relevant für IoT ist.
Was ist die LoRa-Alliance?
Die LoRa-Alliance ist eine non-profit Organisation mit über 500 Mitgliedern. Seit der Gründung 2015 ist sie eine der größten und am schnellsten wachsenden Organisationen im Technologiesektor. Das Ziel der Alliance ist es, LPWAN weltweit zu standardisieren und dadurch die Anzahl von IoT-Installationen zu erhöhen.
Zu den Mitgliedern gehören zum Beispiel CISCO, GOOGLE Cloud, IBM, DEKRA, wir als Minol ZENNER Connect GmbH und viele mehr.
Speziell für die Mitglieder gibt es Mitgliederversammlungen.
Um LoRa nutzen zu können, ist eine Mitgliedschaft in der LoRa-Alliance nicht erforderlich.
LoRaWAN® technische Details
Kann die Datenübertragung der LoRaWAN®-Geräte durch vorhandene Funksysteme gestört werden bzw. können andere Funksysteme durch LoRaWAN® gestört werden?
LoRaWAN®-Geräte nutzen in Deutschland allgemein zugeteilte Frequenzen. Aus diesem Grund ist es prinzipiell möglich, dass andere Geräte zeitgleich mit LoRaWAN®-Geräten auf der gleichen Frequenz senden und dadurch Telegramme verloren gehen. Durch Reglementierungen der Bundesnetzagentur ist jedoch sichergestellt, dass Frequenzen nicht dauerhaft durch einzelne Geräte gestört werden können (Duty Cycle von maximal 1 %). Im Falle eines nicht erfolgreich übertragenen Telegramms und dem damit verbundenen Ausbleiben der Empfangsbestätigung, sendet das Endgerät die Information erneut. Hierzu nutzen LoRaWAN®-Geräte nacheinander unterschiedliche Frequenzkanäle zur Übertragung, wodurch bei einer Störung in einem Frequenzbereich die nachfolgend gesendeten Telegramme trotzdem erfolgreich übertragen werden können. Darüber hinaus wird auch der Sendezeitpunkt durch ein auf dem ALOHA-Zugriffsverfahren basierendes Protokoll zufällig variiert, damit nicht zwei oder mehrere Geräte mehrfach nacheinander gleichzeitig senden.
Können auch Informationen über das Gateway an die Endgeräte gesendet werden?
Ja, LoRaWAN® ist ein bidirektionales Funksystem. Das Senden von Telegrammen über das Gateway an das Endgerät wird als Downlink bezeichnet. Im einfachsten Beispiel werden Downlinks verwendet, um dem Endgerät den Empfang der von ihm gesendeten Informationen zu bestätigen. Beim Ausbleiben dieser Bestätigung werden vom Endgerät weitere Sendeversuche übernommen. Darüber hinaus können über Downlinks Änderungen an der Konfiguration der Endgeräte vorgenommen werden. So ist beispielsweise das Ändern des Sendeintervalls möglich. Auch ist eine Steuerung von Aktoren umsetzbar wie z.B. das Öffnen oder Schließen eines Ventils.
Was ist der Unterschied zwischen asynchronen und synchronen LoRa-Telegrammen?
Unter asynchronen Paketen versteht man das ereignisgesteuerte Übertragen von Informationen.
Ein geeignetes Beispiel zur Verdeutlichung ist der Parkplatzsensor. Damit zu jeder Zeit der aktuelle Status des Parkplatzes vorliegt, wird jede Zustandsänderung -also bspw. der Wechsel von einem freien auf einen belegten Parkplatz- sofort als asynchrones Paket übertragen. Zusätzlich zu den asynchronen Paketen können auch automatisch zu festgelegten Zeiten Informationen übertragen werden – diese Übertragungen werden als synchrone Pakete bezeichnet. Am Beispiel des Parkplatzsensors hat z.B. das automatische tägliche Übertragen des aktuellen Zustands den Vorteil, dass auch bei ausbleibenden Zustandsänderungen sichergestellt werden kann, dass das Gerät aktiv und funktionsfähig ist.
Was versteht man unter ADR?
Unter ADR versteht man „Adaptive Data Rate“. Das ist ein Mechanismus, welcher die Datenraten und den Energieverbrauch optimiert. Die Datenrate wird abhängig von der Empfangssignalstärke der vom Endgerät bereits empfangenen Telegramme durch den LNS angepasst. Ob die Empfehlung des LNS, den “Spreading Factor” zu ändern, vom Endgerät angenommen wird, hängt vom Endgerät selbst ab.
Welche Datenraten können mit LoRaWAN® genutzt werden?
Die genutzten Datenraten befinden sich in einem Bereich zwischen 0,3 bis 50 kbit/s. Die Datenrate kann im Betrieb angepasst werden, um die Batterie schonen zu können und die Gesamtnetzkapazität steuern zu können (siehe ADR).
Was versteht man unter chirp spread spectrum (CSS)?
Hinter „chirp spread spectrum“ verbirgt sich ein Modulationsverfahren, welches ursprünglich für Radaranwendungen entwickelt wurde. Dieses beruht auf dem Chirp-Impuls, einem gewölbtem Frequenzimpuls, der die Frequenz im Laufe eines Zeitraums ändert, die Amplitude aber gleich lässt. Man unterscheidet zwischen up-chirp, wobei die Frequenz zum Ende ansteigt, andersherum spricht man vom down-chirp. Das “chirp spread spectrum” nutzt die komplette Bandbreite für die Signalübertragung.
Was versteht man unter den LoRaWAN® Geräteklassen A, B und C?
Die LoRa-Endgeräte werden in die drei Klassen A, B und C unterteilt, welche unterschiedliche Anforderungen an die Kommunikation vom Gateway an die Endgeräte beschreiben. Klasse A:
Geräte dieser Klasse sind besonders energieeffizient – aus diesem Grund sind die meisten batteriebetriebenen Geräte Klasse A-Geräte. Die Kommunikation vom Gateway zum Endgerät (Downlink) kann nur unmittelbar nach dem Senden des Endgeräts zum Gateway (Uplink) erfolgen. Abhängig vom Sendeintervall des Endgeräts kann es dadurch zu längeren Verzögerungen zwischen dem Anstoßen eines Downlinks und dem tatsächlichen Übertragen zum Endgerät kommen. Alle LoRaWAN®-Geräte müssen die Klasse A Funktionalität unterstützen. Klasse B:
Ergänzend zu den Empfangsfenstern unmittelbar nach dem eigenen Sendevorgang, öffnen Klasse B Geräte zu festgelegten Zeiten weitere Empfangsfenster. Zur Synchronisierung dieser zusätzlichen Empfangszeitfenster werden vom Gateway sogenannte Beacons gesendet. Die kürzere Ansprechzeiten haben einen höheren Energieverbrauch der Endgeräte zur Folge. Klasse C:
Geräte dieser Klasse sind quasi ununterbrochen im Empfangsmodus – lediglich während die Endgeräte selbst senden ist kein Empfang von Downlinks möglich. Dies geht mit einem erhöhten Energieverbrauch einher und ist daher nur sinnvoll, wenn das Gerät kurze Reaktionszeiten auf vom Gateway gesendete Informationen benötigt und im Regelfall über einen festen Stromanschluss verfügt.
Welche Frequenzen werden von LoRaWAN®-Geräten genutzt?
Die Frequenzen, welche von LoRaWAN®-Geräten zur Kommunikation genutzt werden können, unterscheiden sich von Region zu Region. Die LoRa Alliance stellt hierzu eine Übersicht zur Verfügung, welche nach Ländern unterteilt, die für LoRa zu nutzenden Frequenzen beinhaltet. In Deutschland werden die von der Bundesnetzagentur allgemeinzugeteilten Frequenzen im Frequenzband von 863 – 870 MHz für Funkanlagen geringer Reichweite (Short Range Devices, SRD) verwendet. Dadurch ergeben sich auch Beschränkungen hinsichtlich der maximalen Sendestärke sowie -häufigkeit. In den USA wird beispielsweise das Band von 902 – 928 MHz verwendet, in China das Band von 470 – 510 MHz. Das in der EU genutzte Frequenzband von 863 – 870 MHz ist in 10 Kanäle unterteilt, welche von den Geräten zur Kommunikation genutzt werden können. Die Endgeräte wechseln den zur Übertragung verwendeten Kanal zwischen dem Versand einzelner Pakete, um auch im Falle einer Störung einzelner Frequenzbereiche eine erfolgreiche Übertragung sicherstellen zu können.
Welche Reichweite haben LoRaWAN®-Geräte?
Man unterscheidet hier zwischen Indoor- und Outdoor-Geräten. Herkömmliche Outdoor-Geräte haben je nach Beschaffenheit der Umgebung eine Reichweite zwischen 2 und 15 Kilometern. Im ländlichen Bereich ist die Reichweite erfahrungsgemäß größer als in der Stadt, aufgrund der vielen Störsignale und Häuser. Die Indoor-Geräte haben hingegen eine deutlich geringere Reichweite.
Welchen Einfluss hat der Spreading Factor eines Gerätes?
Mit dem Spreading Factor wird die Sendedauer der Daten und damit die Langlebigkeit der Batterie sowie die Netzwerkkapazität beeinflusst. Der Factor liegt zwischen 7 und 12, wobei der Factor sieben die kürzeste Sendedauer mit höchster Datenrate darstellt. Je größer der Faktor, desto länger wird die Sendedauer und desto niedriger die Datenrate. Mit dem Wechsel des Spreading Factors wird eine sicherere Funkverbindung gewährleistet und die Empfangssensibilität erhöht.
Welches Sendeintervall kann mit LoRaWAN®-Geräten verwendet werden?
Das Sendeintervall kann von Gerät zu Gerät unterschiedlich sein. Das hängt von den Anforderungen der Benutzer ab, wie oft sie ihre Daten benötigen und welche Größe die eingebaute Batterie besitzt. Daraus abgeleitet sind Sendeintervalle von wenigen Minuten bis monatlich umsetzbar.
Wie bedenklich ist die Strahlenbelastung durch LoRaWAN®-Geräte?
Die Strahlenbelastung durch LoRaWAN®-Geräte kann allgemein als unkritisch bewertet werden. Ausschlaggebend hierfür sind folgende Gründe:
Die Sendeeinheit der LoRaWAN®-Geräte ist prozentual bspw. auf einen Monat gesehen immer nur sehr wenig aktiv. Während Mobilfunkgeräte zumeist rund um die Uhr senden und empfangen, senden LoRa-Geräte auf das Jahr gerechnet lediglich 1,5 Stunden (bei täglicher Übertragung eines Telegramms mit SF12)
Im Vergleich mit anderen Funksystemen senden LoRaWAN®-Geräte mit deutlich geringerer Sendeleistung. Die maximale Sendeleistung in Europa sind 25 mW, was 14 dBm entspricht.
Wie ist die Batterielaufzeit von LoRaWAN®-Geräten?
Durch die hohe Energieeffizienz der LoRaWAN®-Geräte ist, je nach Anwendungsfall, eine Batterielebensdauer von zwei bis 15 Jahren möglich. Einfluss nehmen unter anderem das Sendeintervall, die Länge der Telegramme und die Kapazität der Batterie.
Wie ist die Datenübertragung gegenüber dem Zugriff durch Dritte gesichert?
Die Übertragung der LoRa-Telegramme erfolgt verschlüsselt. Prinzipiell können Nachrichten-Telegramme zwar von jedem Gateway empfangen werden, um die enthaltenen Informationen aber verstehen und nutzen zu können ist es notwendig die Schlüssel zu kennen.
Die Verschlüsselung erfolgt mithilfe zweier 128-bit AES-Schlüssel, die jeweils pro Endgerät eindeutig sind:
Network Session Key (NwkSKey): Verschlüsselung zwischen dem Endgerät und dem LoRa Network Server – stellt durch die verschlüsselte Übertragung einer fortlaufenden Datenpaketnummer auch die Nachrichtenintegrität sicher.
Application Session Key (AppSKey): Verschlüsselung der Payload zwischen dem Endgerät und dem Application Server.
Abhängig vom Aktivierungsverfahren werden die Schlüssel bereits bei der Produktion in die Geräte geschrieben (ABP), oder im Zuge des Join-Vorgangs zwischen Application Server und Endgerät
Wie viele Bytes können mit einem Telegramm übertragen werden?
Mit einem LoRa-Telegramm können bis zu 59 Bytes an Daten übermittelt werden.
Wie viele Geräte können über ein Gateway verwaltet werden?
Wie viele Geräte über ein Gateway zuverlässig empfangen werden können ist von mehreren Faktoren abhängig. Prinzipiell kann es zum Verlust von Paketen kommen, wenn mehrere Telegramme zeitgleich auf dem gleichen Kanal übertragen werden. Einfluss auf die Wahrscheinlichkeit, dass es zu einer solchen Überschneidung kommt, hat neben der Anzahl an Geräten auch die Länge der übertragenen Telegramme sowie der Spreading Factor mit welchem die Geräte senden. Je kürzer die Geräte senden (begünstig durch kleinen Spreading Factor und kurzes Telegramm), desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit einer Kollision. Weiter spielt es eine Rolle, ob zu den gesendeten Telegrammen eine Empfangsbestätigung angefordert wird oder nicht. Eine Empfangsbestätigung hat den Vorteil, dass verloren gegangene Telegramme wiederholt werden – führt jedoch gleichzeitig zu weiterem Traffic. Die Regulierung der Bundesnetzagentur bezüglich der maximalen Sendestärke führt auch dazu, dass die Anzahl an Geräten in Reichweite eines Gateways nicht zu groß werden kann und beugt somit ebenfalls Kollisionen vor. Versuche haben gezeigt, dass ein einzelnes Gateway bis zu 470.000 Telegramme pro Tag empfangen kann.