LoRaWAN

LoRaWAN: Game Changer für digitale Transformationen

Sensorik- und -Tracking-Lösungen mit hoher Reichweite, geringem Energiebedarf, basierend auf offenen Standards und mit zahlreichen Vorteilen für zahlreiche Wirtschaftssektoren – realisiert mit LoRa-Netzwerken.

Mehr und mehr Halbleiterhersteller kommen auf den Markt

Die Spezifikation des frei verfügbaren LoRaWAN-Netzwerkprotokolls wird von der LoRa Alliance festgelegt. LoRaWAN arbeitet – je nach globaler Region – im zuteilungsfreien Frequenzbereich zwischen 169 und 915 MHz. Semtech war der weltweit einzige Halbleiterhersteller für die patentierte Übertragungstechnik.

Eine Reihe weiterer Halbleiterhersteller haben Lizenzen zur Herstellung und Vermarktung von LoRa basierten Geräten erworben, darunter ST Microelectronics, die Mikrocontroller mit On-Chip-LoRa-Technologie entwickeln.

Sensorik- und -Tracking-Lösungen mit hoher Reichweite, geringem Energiebedarf, basierend auf offenen Standards und mit zahlreichen Vorteilen für zahlreiche Wirtschaftssektoren – realisiert mit LoRa-Netzwerken.

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Offene Standards gewährleisten anwendungsspezifische Realisierungen

Um die Verbindung zwischen Objekten und Anwendungen in smarten Lösungen zu gewährleisten, stehen verschiedene Wireless-Technologien zur Verfügung. Dazu gehören etablierte Kurzstreckenlösungen wie ZigBee, WiFi, BLE, Mobilfunk-Netzwerktechnologien wie 2G bis 4G und bald 5G, sowie LPWAN-Technologien mit hohen Reichweiten.

Im nicht lizenzierten Spektrum von LPWAN können Anwender aktuell zwischen SigFox und LoRaWAN wählen. Lösungsanbieter können Anwendungen entwickeln, die exakt auf die Bedürfnisse ihrer Kunden abgestimmt sind: Spezielle Gateways, Netzwerkserver, Geräte und Sensoren. Die LoRa-Technologie punktet dabei mit offenen Standards, einer globalen Verbreitung und einer sicheren Kommunikation.

Geringer Energieverbrauch und hohe Reichweiten

Technologien mit ähnlichem Einsatzspektrum, wie 5G oder NB-IoT, verbrauchen bis zu fünfmal so viel Energie wie LoRaWANTechnologien. Insbesondere in Applikationen, die keine großen Datenmengen oder Echtzeitinformationen erfordern, rechnet sich der Einsatz von LoRaWAN bereits. Je nach Datenübertragungsmenge und -häufigkeit beträgt die Batterielebensdauer zwischen fünf und 15 Jahren.

Die Kommunikationsreichweite beträgt zwischen zwei Kilometer in dichter, städtischer Infrastruktur bis zu über 40 Kilometer in ländlichen Gebieten – deutlich weiter als Bluetooth, Wi-Fi und 5G. Vorteil: selbst große städtische Gebiete können mit minimaler Netzwerkinfrastruktur abgedeckt werden. Aktuell bestehen LoRaWAN-basierte Netzwerke in rund 140 Ländern weltweit. Rund 100 Millionen LoRa-Geräte sind bereits im Einsatz. Die Milliardengrenze wird in wenigen Jahren erreicht sein.

Aufbau eines LoRaWAN

Eine LoRa-Netzwerkarchitektur wird sternförmig angelegt. Endgeräte, wie Nodes oder Sensortransponder, kommunizieren Messwerte und Informationen mit Gateways und diese wiederum leiten die einzelnen Datenpakete an einen zentralen Server senden. Über unterschiedliche Schnittstellen werden die erfassten Daten IoT-Plattformen und -Applikationen zur Verfügung gestellt. LoRaWAN-Applikationen arbeiten in global und regional unterschiedliche Frequenzbereichen des ISM-Bandes und des SRD-Bandes.

In Europa ist für die LoRa-Kommunikation das Frequenzband von 433,05 bis 434,79 MHz (ISM-Band Region 1) und von 863 bis 870 MHz (SRDBand 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 der Chirp-Spread-SpectrumModulation ermöglicht eine hohe Effizienz bei Datentransfer und Energieverbrauch.

Gleichzeitig minimiert die genutzte Modulation Interferenzen. Die Kommunikation vom Endgerät bis zum Gateway und dann weiter bis zum Anwendungsserver ist in einem LoRaWAN zweifach mit 128-bit-AESKeys verschlüsselt.

Indoor- und Outdoor-Eignung unterstützen einen schnelleren ROI

Die Energieeffizienz der Produkte, die mit dem LoRaWANProtokoll arbeiten, ist ein Alleinstellungsmerkmal gegenüber anderen Wireless-IoT-Technologien. Mit LoRaWAN sind Use Cases realisierbar, in denen der Batteriewechsel hohe Kosten verursachen würde. Gleichzeitig ist LoRaWAN robust gegen potenzielles, infrastrukturbedingtes Shading. Unabhängig vom städtischen oder ländlichen Umfeld, ob drinnen oder draußen – die Durchdringung von LoRaWAN ist extrem hoch.

Ein LoRaWAN-Gateway kann Sensoren über mehrere Stockwerke innerhalb eines Gebäudes auslesen. Die Hauptmerkmale von LoRaWAN sind Reichweite, Energieeffizienz und Robustheit. Diese Benefits gehen einher mit einer höheren Latenzzeit und einer niedrigeren Datenübertragungsrate als beispielsweise 4G/5G.

Volle Flexibilität für Organisations- und Geschäftsmodelle

Die Anschaffungs- und Betriebskosten einer Wireless-IoT-Lösung sind ein wichtiges Entscheidungskriterium für die Realisierung. Öffentliche Netzbetreiber berechnen laufende Kosten für die Nutzung in der Regel pro angeschlossenem Gerät und Monat.

Bei der Nutzung von LoRaWAN können Städte, Unternehmen oder Systemintegratoren ein dediziertes privates Netzwerk aufbauen. Wiederkehrende Kosten werden vermeiden. Dies bietet volle Freiheit für Geschäftsmodelle und gibt dem Anwender eine Unabhängigkeit in Bezug auf den Abdeckungsgrad.

Mit kleinen und kostengünstigen LoRa-Gateways kann die Abdeckung flexibel und kostengünstig auf 100 Prozent erhöht werden. Unter Berücksichtigung der Kosten für die einzelnen Geräte (zum Beispiel Sensoren, Tracker, Nodes) ist – wie bei anderen Technologien – zu erwarten, dass in absehbarer Zeit die Anwendungen zunehmen und die Kosten für die Hardware sinken werden.

Smart Cities

Mit LoRaWAN-basierten Applikationen können öffentliche und private Unternehmen Daten in Smart Cities generieren, die zur Realisierung eines nachhaltigen und komfortablen Stadtleben beitragen. Die Datenerfassung per LoRaWAN umfasst beispielsweise Füllstände von Abfallbehältern, die Steuerung der Straßenbeleuchtung, die automatische Ablesung von Energieverbräuchen, unterschiedliche Umweltdaten wie CO2- oder Lärmbelastungen oder Sensoren, die die Auslastung von Parkplätzen melden.

Ein alltäglicher, kommunaler Betrieb wird durch die Reichweitentaken, energieeffizienten, und GPS-losen Geolokalisierungsfunktionen der LoRaWAN-Technologie unterstützt. Durch die Verbindung von städtischen Diensten wie Beleuchtung, Parken, Abfallentsorgung und mehr können Städte den Einsatz von Versorgungsunternehmen und Personal optimieren und so Zeit und Geld sparen.

Shared Offices

In Smart Buildings wie Shared Offices ermöglicht die Erfassung von Nutzungsdaten in Büros, Konferenzräumen und Arbeitsplätzen die Optimierung teurer Büroflächen: Schreibtische oder Räume können in Echtzeit gebucht und in NoShow-Situationen wieder online zur Verfügung gestellt werden. Wenn ein Unternehmen weiß, wie viele Arbeitsplätze wirklich für die gemeinsame Nutzung benötigt werden, kann das die gemietete Bürofläche reduzieren. Andererseits können Raumparameter wie Luftfeuchtigkeit und Temperatur kontinuierlich kontrolliert und vom Nutzer flexibel angepasst werden.

Asset Tracking und Lokalisierung

LoRaWAN wird zur Verfolgung von Assets in großflächigen Bereichen wie beispielsweise auf Flughäfen oder Seehäfen eingesetzt werden. Die Position von Containern, Gabelstaplern, Lkw und anderen Handlinggeräten kann mit LoRaWAN auf wenige Meter genau bestimmt werden. Erfordern Anwendungen auf Freiflächen eine höhere Genauigkeit, kann LoRaWAN mit GPS kombiniert eingesetzt werden. Ein LoRaNetzwerk allein übermittelt nur eine ungefähre Position eines gesuchten Objekts.

Landwirtschaft

LoRaWAN findet zunehmend Anwendung in Smart-Agriculture-Lösungen. Nutztiere können mit Sensoren zur Lokalisierung und Sensoren im Magen für Temperaturmessungen überwacht werden. Anhand der Sensordaten können Krankheiten früher erkannt werden, was eine schnelle Reaktion ermöglicht. Um Nutztiere selbst über mehrere Quadratkilometer zu erfassen, müsste ein Landwirt nur ein oder maximal eine Handvoll LoRaWAN-Gateways installieren.

Industrial IoT

Industrie-4.0-Anwendungen sind in der europäischen Industrie für die Produktionsautomatisierung und Digitalisierung von großer Bedeutung. Sensoren, die Parameter wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Beschleunigung oder Vibrationen überwachen, gewährleisten die Einhaltung korrekter Verfahren und ermöglichen vorausschauende Wartungsprozesse.

Automobilindustrie

Im Automobilbereich kommen LoRaWAN-Lösungen hauptsächlich zum Einsatz, um den Verlust von Ladungsträgern und transportierten Gütern zu vermeiden. Bauteile und Komponenten wie Motoren und Getriebe, die von Tier-1-Herstellern an die Automobilhersteller geliefert werden, sind Objekte mit einem hohen Wert von 500 bis zu 2000 Euro.

Spezielle Ladungsgräte sind ebenso wertvolle Assets. Logistikprozesse weisen mitunter Verlustraten von fünf bis 15 Prozent auf. LoRaWANAnwendungen können eine lückenlose Transparenz entlang der Lieferkette gewährleisten.

Ökologie

Sensornetzwerke mit Klimasensoren erfassen detaillierte Wetterdaten oder auch Feinstaubmessungen, die die Grundlage für ökologische Maßnahmen sein können. Der Abstand zwischen den einzelnen Sensoren kann zwischen 500 Metern und wenigen Kilometern liegen. Die von Sensoren erfassten Wetterdaten werden via LoRaWAN zur zentralen Auswertung versendet. Die Daten dienen auch zur Vorbereitung auf den Klimawandel.

Quelle: RFID im Blick, Ausgabe 04/2020

Niklas Van Bocxlaer
Niklas Van Bocxlaer
Exhibition Manager
Lüneburg bei Hamburg, Deutschland
Anja Van Bocxlaer
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Chefredakteurin und Konferenzmanagerin
Lüneburg, Deutschland
Jan Phillip Denkers
Jan Phillip Denkers
Stellvertretender Chefredakteur
Lüneburg, Deutschland
Vanessa Tan
Vanessa Tan
Redakteurin
Lüneburg, Deutschland
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