LoRaWAN

LoRaWAN funkt über große Reichweiten

Sensortechnologie mit einem Minimum an Energie und geringen Kosten

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network)

LoRaWAN ist das MAC-Layer-Protokoll, das die Kommunikation zwischen LoRa-Geräten – und den sogenannten Gateways steuert. LoRaWAN-Applikationen arbeiten in global und regional unterschiedlichen Frequenzbereichen des ISM-Bandes und des SRD-Bandes.

In Europa ist für die LoRaWAN-Kommunikation das Frequenzband von 433,05 bis 434,79 MHz (ISM-Band Region 1) und von 863 bis 870 MHz (SRD-Band Europa) freigegeben. In Nordamerika steht das Frequenzband von 902 bis 928 MHz (ISM-Band Region 2) zur Nutzung zur Verfügung.

Die Frequenzspreizung, basierend auf der Chirp-Spread-Spectrum- Modulation von Semtech, ermöglicht eine hohe Effizienz bei Datentransfer und Energieverbrauch. Gleichzeitig minimiert die genutzte Modulation Interferenzen.

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) gehört zu den Low-Power Wide Area Network-Technologien (LPWAN). Die Technologie arbeitet im lizenzfreien drahtlosen Frequenzspektrum, das normalerweise als ISM-Funkband (Industrie, Wissenschaft und Medizin) bekannt ist. Aufgrund der nationalen Gesetzgebung können sich diese Frequenzen regional unterscheiden.

Dieser Technologie-Artikel wurde verfasst von Wolfgang Weber, Global Industry Manager bei Pepperl+Fuchs.

Was ist LoRaWAN?

LoRaWAN gehört zu den Low-Power-Wide- Area-Networks. Die Technologie nutzt das lizenzfreie drahtlose Frequenzspektrum, welches auch als ISM-Funkband (Industrie, Wissenschaft und Medizin) bezeichnet wird. Aufgrund der nationalen Gesetzgebung können die Frequenzen regional abweichen.

Das Ziel von LoRaWAN ist die drahtlose Übertragung von Daten über größere Entfernungen mit einem Minimum an Energie und geringen Kosten. Das Datenvolumen und die Anzahl der Übertragungen sind streng begrenzt. LoRaWAN ist vor allem eine Upload-Technologie. Sie eignet sich daher für die Übertragung von Signalen mit sehr begrenztem Dateninhalt (Nutzlast) und ohne Echtzeitanforderungen.

LoRaWAN bietet ADR (adaptable data rate) durch Veränderung des Spreizfaktors SF. Ein niedriger SF führt zu einer hohen Datenrate und umgekehrt. Dies hat erheblichen Einfluss auf die Reichweite der Signale. Die Anpassung der Datenrate wird von einem Algorithmus im Netzwerkserver vorgenommen, der die Werte des Received Signal Strength Indicator (RSSI) und des Signal- Rausch-Verhältnisses (SNR) zur Bewertung der Übertragungsqualität verwendet. Eine höhere Datenrate spart auch Sendezeit, wodurch die Wahrscheinlichkeit von Kollisionen verringert wird.

Füllstände von Abfallbehältern, Glascontainern, Wasserständen oder auch Salzsilos

LoRaWAN erlaubt – aufgrund der großen Reichweite – auch die Integration von Sensoren in Metallbehältern, die eine starke Dämpfung der Funksignale bewirken. Somit können die Füllstände von Abfallbehältern, Glascontainern, Wasserständen oder auch Salzsilos überwacht und deren Abholung zentral gesteuert werden.

Die Vorteile

LoRaWAN nutzt die Vorteile der großen Reichweite der physikalischen LoRa-Schicht und ermöglicht eine Single-Hop-Verbindung zwischen Endgeräten und einem oder mehreren Gateways. Alle Modi (Klasse A, B und C) können bidirektional kommunizieren, und es gibt Unterstützung für Multicast-Adressierungsgruppen zur effizienten Nutzung des Spektrums bei Aufgaben wie Firmware Over-The-Air (FOTA)-Upgrades oder anderen Massenverteilungsnachrichten.

Topologie

LoRaWAN ist eine Sternübertragungstechnologie. Das so genannte Endgerät sendet seine Daten (Payload) an ein lokales Gateway. Die Anzahl der Gateways entspricht der erforderlichen Konnektivität in einem bestimmten Gebiet. In einem freien Feld ist die Abdeckung viel besser als in einem stark bebauten Gebiet, insbesondere wenn Endgeräte im Keller von Gebäuden erreicht werden müssen.

Das Gateway leitet die Nachrichten an einen Server weiter. Der sogenannte LoRaWAN Network-Server (LNS) übernimmt die Kommunikation mit den Endgeräten. Daher kann ein Endgerät Nachrichten über mehrere Gateways in der Reichweite des Signals übertragen, wenn diese zum selben Server gehören.

Im Netzwerk-Server ist ein Join-Server integriert, der den Join-Prozess eines Endgerätes und die Generierung der Netzwerkund Applikations-Schlüssel übernimmt. Der Network-Server liefert die Nachrichten an einen Application-Server, der in der Regel bereits Teil der Endbenutzer-Infrastruktur ist.

Schnittstellen

Die Kommunikation zwischen einem Endgerät und dem LNS wird durch die LoRaWAN-Spezifikation der LoRa Alliance definiert. Die Nutzlast des Endgerätes ist natürlich spezifisch für die jeweilige Aufgabe des Endgerätes und muss entschlüsselt werden. Die Dekodierung der Ende-zu-Ende- Verschlüsselung findet normalerweise auf der Seite des Anwendungsservers statt. Das Protokoll zwischen Netzwerk-Server und Applikations-Server hängt jedoch von den Kundenanforderungen ab. Typische Formate sind MQTT oder Rest API.

Richtlinien für die Sendezeit

Da LoRaWAN in einem lizenzfreien Spektrum arbeitet, bestehen rechtliche Einschränkungen. Daher ist die Nutzung der Sendezeit auf 1 Prozent in den Vorzugskanälen begrenzt. Da LoRaWAN sechs unterschiedliche Übertragungszyklen erlaubt, zieht das eine Begrenzung der Nutzlast nach sich. Beschränkungen und Vorschriften für die Betreibung eines LoRa-Funknetztes weichen in Europa und insbesondere in den USA voneinander ab.

Drei LoRa-Geräteklassen

Die Frequenzen (ISM-Band) hängen von der jeweiligen Region und den örtlichen Gesetzen und Vorschriften ab. Typische Beispiele sind: 868 MHz (Europa), 915 MHz (USA), 950 MHz (Japan) und 430 MHz (Asien).

Drei Klassen von Geräten

Klasse A ist in erster Linie auf den Up-Link ausgerichtet. Diese Klasse kann Downlink- Informationen von einem Server nur direkt nach einer gesendeten Nachricht empfangen. Nach dem Senden erscheint ein kleines Nachrichten-Empfangsfenster, welches zum Senden von Nachrichten an das Endgerät genutzt werden kann. Geräte der Klasse A machen zirka 90 Prozent des Marktes aus.

Klasse B Geräte können Down-Links in definierten Zeitintervallen – unabhängig von den Up-Link-Nachrichten – empfangen. Dazu ist eine Zeitsynchronisation mit dem Server erforderlich. Diese Version kommt am Markt selten zum Einsatz.

Geräte der Klasse C können jederzeit bidirektional kommunizieren. Dies hat zur Folge, dass die Geräte nicht mehr mit Batterien betrieben werden können, da der Stromverbrauch viel zu hoch ist. In diesem Fall ist einer der wichtigsten Vorteile von LoRa- WAN-Anwendungen nicht mehr gegeben. In Einsatzbereichen, in denen Strom aber keine drahtgebundene Kommunikationsinfrastruktur vorhanden sind, ist dies Variante im Vergleich zu anderen drahtlosen Kommunikationsnetzwerken wegen der großen Reichweite trotzdem im Vorteil.

Spektrum

Die Basistechnologie von LoRaWAN wird CSS (Chirp Spread Spectrum) genannt. Das bedeutet, dass die Funksignale eine ansteigende (up-chirp) oder abfallende (downchirp) Frequenz bei konstanter Amplitude verwenden. Es hat sich gezeigt, dass diese Methode eine sehr gute Reichweite für die gegebene geringe Leistung bietet und Nachrichten auch unter dem Rauschpegel empfangen werden können.

Spreading Factor (SF)

Zur Anpassung an unterschiedliche Übertragungsqualitäten stehen 6 Spreading Factors (SF) zur Verfügung. Spreizung bedeutet, dass die Sendezeit verlängert wird, um die Reichweite zu verbessern. Ein höherer Spreizfaktor erhöht die Sendezeit und ermöglicht eine größere Reichweite der Signale, reduziert aber auch die Datenrate.

Koexistenz

LoRaWAN verwendet das ALOHA-Prinzip. ALOHA ist ein Mehrfachzugriffsprotokoll zur Übertragung von Daten über einen gemeinsamen Netzwerkkanal. Das bedeutet, dass ein Endgerät jederzeit Daten senden kann, ohne sich mit einem anderen Endgerät oder dem empfangenden Gateway zu synchronisieren.

Wenn mehrere Endgeräte gleichzeitig Daten mit identischen Datenraten senden, kann es zu Kollisionen und Datenverlusten kommen.

Die Verwendung unterschiedlicher Spreizfaktoren ermöglicht es dem Gateway, Daten von verschiedenen Endgeräten gleichzeitig zu empfangen. Außerdem stehen verschiedene Kanäle zur Verfügung (die drei Standardkanäle sind 868,10 MHz, 868,30 MHz, 868,50 MHz).

Von Abfall bis Hochwasser

An Starkregentagen schwellen selbst kleinste Bäche in kürzester Zeit zu reißenden Flüssen an. LoRaWAN-Technologie kann zum Hochwasserschutz beitragen.

Abfallmanagment

Abfallbehälter sind Objekte ohne elektrische Versorgung oder kabelgebundene Datenverbindung. Daher muss ein Sensor autonom arbeiten. In diesem speziellen Fall bedeutet das, dass ein wartungsfreier Betrieb von bis zu sechs Jahren und eine Funkkommunikation auch aus einem Metallbehälter heraus erforderlich ist.

Diese Anwendungen sind in der Regel auf ein klar definiertes Gebiet beschränkt. Ein Abfallsammeldienst ist immer in einem festen Gebiet wie einer Stadt oder einem Industriegebiet tätig. Daher sind lokale Netze, die je nach den spezifischen Umgebungsbedingungen leicht skaliert werden können, durchaus machbar.

Die Datenmenge ist sehr begrenzt und es gibt auch keine Echtzeitanforderungen. Etwa drei Meldungen pro Tag sind in der Regel völlig ausreichend.

Auf der anderen Seite wird eine Batterielebensdauer von sechs oder mehr Jahren gefordert, da eine permanente Wartung der Sensoren unzumutbare Kosten verursachen würde. In vielen Fällen wird das Netz vom Kunden selbst betrieben. Es fallen also keine Gebühren für die Datenübertragung an.

Glascontainer

Insbesondere Glascontainer werden oft mit Füllstandssensoren ausgestattet, um den gezielten Abtransport der vollen Container zu organisieren. Dies reduziert einerseits unnötige Fahrten und vermeidet andererseits den Ärger des Bürgers, der vor einem komplett gefüllten Container steht.

Winterdienst

Sensoren können auch den Füllstand von Streusalzcontainern messen. In Verbindung mit meteorologischen Daten unterstützen die Messdaten aus den Salzsilos das optimale Management des Winterdienstes.

Hochwasserschutz

Füllstandssensoren werden beispielsweise an Brücken über Flüssen oder Kanälen angebracht und messen dort den Pegelstand des Wassers. Besonders interessant ist es, Daten, die durch künstliche Intelligenz errechnet werden, mit LoRaWAN-Daten zu vernetzen. Die Entstehung von Hochwasser kann damit noch besser kontrolliert und eingeschätzt werden.

Interview

Der Durchbruch wird kommen!

Wolfgang Weber, Global Industry Manager bei Pepperl+Fuchs erklärt im Interview mit RFID im Blick warum LoRaWAN die Anforderungen an ein potentes Funknetzt sehr gut erfüllt, die Erwartungen an die Anzahl der Gateways aber noch nicht erfüllt sind.
INTERVIEW MIT WOLFGANG WEBER

Wolfgang Weber ist seit über 20 Jahren Mitarbeiter im DIN NIA 31 (Informationstechnologien und Anwendungen) sowie Delegierter zur ISO/IEC JTC1 SC31 WG1. Er wirkte darüber hinaus auch bei der Normierung von Data Matrix und QR Code mit. Im Verband AIM-D ist Wolfgang Weber ebenfalls seit 20 Jahren Vorstand für optische Technologien und langjähriger Leiter das Barcode Arbeitskreises.

Im Jahr 1997 gründete er die Omnitron AG und war an der Entwicklung der ersten stationären Data Matrix Code Leser basierend auf Smart Kamera Technologie beteiligt. Seit Übernahme der Omnitron AG durch die Pepperl+Fuchs SE im Jahr 2004 verantwortet er als Global Industry Manager unter anderem den Bereich Erneuerbare Energien.

1. Ist die noch sehr junge Long Range Wide Area Network-Technologie – kurz LoRaWAN-Technologie genannt – ausgereift?

Das ist eine gute Frage, die ich eindeutig mit „Ja“ beantworten kann. Auch wenn die LoRaWAN Technologie erst sieben Jahre alt ist – die erste Spezifikation stammt aus dem Jahre 2015 – läuft die Technologie einwandfrei. Endgeräte, Sensorik und Gateways sind verfügbar und funktionstüchtig. Das LoRaWAN-Netz hat eine sehr gute Abdeckung und insgesamt ist LoRaWAN-Technologie kostengünstig.

2. Welche Applikation ist ein echter Durchbruch?

Smart Metering ist eine Applikation, die richtig gut funktioniert. Mit deutschlandweit über 2 Millionen Endgeräten und ca. 40.000 Gateways ist LoRaWAN beim Ablesen von Wasserzählern und Wärmemessgeräten flächendeckend im Einsatz. Über die LoRaWAN-Netze lassen sich Daten nun auch vierteljährlich abrufen. Somit können Kostenentwicklungen besser kontrolliert werden.

3. Für welche Applikationen bietet Pepperl+Fuchs LoRaWAN-Lösungen an und welche Produkte gehören dazu?

Wir bieten einen Ultraschall-Sensor für die Füllstandsmessung an. Vor allem in der Industrie sind diese Sensoren seit langer Zeit im Einsatz. Neu ist die Sendung der Messdaten über LoRaWAN-Funknetze und die Ausdehnung der Einsatzbereiche auf Smart Citys.

Die Ultraschall-Füllstandssensoren werden beispielsweise an Brücken über Flüssen oder Kanälen angebracht und messen dort den Pegelstand des Wassers. Aktuell bauen wir in Wuppertal eine LoRaWAN-Lösung zur Wasserstandsmessung auf. Die Hochwasserkontrolle wird dort über LoRaWAN-Messgeräte unterstützt. Besonders interessant ist es, Daten, die durch künstliche Intelligenz errechnet werden, mit LoRaWAN-Daten zu vernetzen. Die Entstehung von Hochwasser kann damit noch besser kontrolliert und eingeschätzt werden.

4. Können Sie noch weitere Applikationsbeispiele beschreiben?

In Wuppertal haben wir im Auftrag der Abfallwirtschaftsgesellschaft (AWG) 800 Füllstandssensoren in Glascontainern im Einsatz. Die Installation wurde 2021 durchgeführt. Ebenfalls seit dem Winter 2021 messen unsere Sensoren in Heidelberg den Füllstand der Streusalzcontainer.

Die Stadt hat das Projekt „Smart Winter“ aufgelegt und erfasst meteorologische Daten. Ergänzt werden diese Daten durch die Messdaten der Streusalzsilos. Ziel ist es, den Winterdienst optimal zu managen.

5. Wie ist die Performance von LoRaWAN in der Industriebranche?

Pepperl+Fuchs ist mit LoRaWAN vor allem im Industriebereich vertreten. Bei einem großen Chemieunternehmen aus Baden-Württemberg setzen wir induktive Sensoren ein, um die Stellung von Hebeln an Ventilen zu kontrollieren. Die Entscheider in der Industrie wollen Probleme beseitigen und Schwachstellen minimieren. Sie sind an Lösungen interessiert.

In der Industrie will man die Effizienz erhöhen, die Prozesse transparent abbilden und die Digitalisierung vorantreiben. Da mobile Assets oder Geräte nicht mit Kabeln angebunden werden können, ist der LoRaWAN-Sensor eine optimale Lösung. Er lässt sich mit zwei Schrauben schnell installieren und kann sofort Daten erheben.

6. Sind Sie mit den Projektentwicklungen von LoRaWAN-Lösungen zufrieden?

LoRaWAN ist in über 150 Ländern sehr gut vertreten. 4 Millionen Gateways und 250 Millionen Endgeräte sind im Einsatz. Das ist schon mal eine namhafte Menge. Dennoch sind die Erwartungen hoch an die Technologie. Und Projekte – besonders in Smart Cities - laufen zum Teil zäh.

7. Warum laufen LoRaWAN-Projekte nicht so gut wie erwartet?

Themen wie „Müllentsorgung“ werden in den Gremien der Städte häufig zerredet. Meiner Ansicht nach wird der Durchbruch aber kommen, denn die Funknetze sind da. Die Hardware funktioniert, ist verfügbar und die gesamte Umsetzung ist kostengünstig. Also ist das nur eine Frage der Zeit. Die Wasserstofftechnologie ist auch Jahrzehnte diskutiert worden und: jetzt ist der absolute Durchbruch erfolgt. Die Auftragsbücher sind auf Jahre gefüllt.

Wenn Partner gut zusammen arbeiten und die Ziele klar abgesteckt sind, ist die Integration von LoRaWAN schnell und kostengünstig möglich. Die Technologie hat viele Vorteile.

8. NB-IOT bleibt auch hinter den Erwartungen zurück, oder?

Ja, das ist richtig. In China wird dieser Funkstandard stark von der Regierung gefördert. Hierzulande leidet diese Technologie aber unter der Zurückhaltung bei der Umsetzung von Use Cases. Wie schon erwähnt sind die Möglichkeiten der Applikationen vielseitig, aber es mangelt an zustimmenden Entscheidungen.