Einführung
Da Unternehmen nach wirtschaftlichen Lösungen mit großer Reichweite und Geräteunterstützung suchen, ist eine Konnektivität, die diese Bedingungen erfüllt, unerlässlich geworden. Diese Nachfrage hat zur Entwicklung von LPWAN (Low-Power Wide Area Network) und LoRaWAN geführt. LoRaWAN ist ein LPWAN-Protokoll (Low-Power Wide Area Network), das es Geräten ermöglicht, sich drahtlos über große Entfernungen mit dem Internet zu verbinden. Seine Hauptmerkmale – große Reichweite und minimaler Stromverbrauch – eignen sich hervorragend für die Anforderungen der drahtlosen Kommunikation. IoT-Geräte die im Wesentlichen batteriebetrieben sind.
Was ist LoRaWAN?
LoRaWAN ist eine drahtlose Kommunikationstechnologie, die zur Kategorie der LPWANs (Low Power Wide Area Networks) gehört. Das bedeutet, dass sie für minimalen Stromverbrauch bei gleichzeitig hoher Reichweite ausgelegt ist und sich daher ideal für großflächige IoT-Anwendungen eignet. LoRaWAN nutzt die LoRa-Modulationstechnologie, eine spezielle Implementierungsmethode für LPWAN.
LoRa ist im Kern ein Modulationsverfahren auf der physikalischen Schicht, das die Chirp-Spread-Spectrum-Technologie (CSS) zur Informationskodierung nutzt. Es spezifiziert verschiedene Kommunikationseinstellungen, darunter Bandbreite, Übertragungsfrequenz, Codierungsrate und Spreizfaktor. Aufbauend auf LoRa definiert die LoRaWAN-Technologie das Protokoll für die Kommunikation zwischen IoT-Endgeräten und dem Netzwerk. Gateways, wodurch Geräte nahtlos mit dem Internet verbunden werden können.
LoRaWAN-Kurse
Klasse A
Klasse A arbeitet als asynchrones System, in dem Endknoten bei Bedarf Nachrichten an das Gateway senden und anschließend bis zur nächsten Übertragung in einen inaktiven Zustand wechseln. Diese Konfiguration nutzt die Zeitschlitze in einem Mehrkanalsystem effizient aus.
Klasse B
Ein Verfahren zum Senden von Nachrichten an batteriebetriebene Knoten, bei dem das Gateway alle 128 Sekunden ein Beacon-Signal aussendet. Dieses Beacon-Signal ermöglicht es allen LoRaWAN-Basisstationen, ihre Zeit mithilfe von GPS-Satellitensignalen zu synchronisieren.
Klasse C
Ermöglicht es Knoten, jederzeit Downlink-Nachrichten zu empfangen und zu senden. Diese Klasse wird üblicherweise in netzbetriebenen Anwendungen eingesetzt, da sie einen erheblichen Energieaufwand erfordert, um den Knoten voll aktiv und den Empfänger stets betriebsbereit zu halten.
So funktioniert LoRaWAN
Die LoRa-Modulation kodiert Daten mithilfe eines Verfahrens namens Chirp-Spread-Spectrum in drahtlose Signale. Durch Erhöhung der linearen Frequenzmodulationsrate (LFM) wird das Signal über mehrere Frequenzbereiche verteilt, wodurch es größere Entfernungen ohne größere Störungen zurücklegen kann. LoRa verwendet eine proprietäre Spread-Spectrum-Modulation, die auf dieser Chirp-Technologie basiert. Beispielsweise nutzen Geräte in der Nähe des Gateways aufgrund ihrer Nähe einen niedrigeren Spreizfaktor, um Daten schnell zu übertragen, während weiter entfernte Geräte einen höheren Spreizfaktor verwenden, um die Signalreichweite zu erhöhen, auch wenn dies die Übertragungsgeschwindigkeit verringert.
IoT-Geräte (wie z. B. SensorenGeräte im LoRaWAN-Netzwerk erfassen Daten periodisch oder bedarfsgesteuert. Sie nutzen das integrierte LoRa-Modul und die LoRa-Modulationstechnologie, um die erfassten Daten drahtlos an ein nahegelegenes LoRaWAN-Gateway zu übertragen, welches sie anschließend an den LoRaWAN-Netzwerkserver hochlädt. Nach Deduplizierung, Verifizierung und der Verarbeitung von Funktionen wie der Überprüfung des Netzwerkzugriffs und der Identitätsprüfung werden die Daten an den Anwendungsserver weitergeleitet. Dieser ist üblicherweise ein benutzerdefiniertes System und dient der Analyse und Speicherung der empfangenen Daten sowie der entsprechenden Verarbeitung, beispielsweise dem Auslösen von Alarmen und der Erstellung von Berichten.
Hauptmerkmale und Vorteile von LoRaWAN
Langstrecken- und Abdeckung:
Die LoRa-Modulationstechnologie von LoRaWAN ermöglicht Übertragungsreichweiten von mehreren Kilometern bis hin zu mehreren zehn Kilometern. In Städten erreicht LoRaWAN meist Reichweiten von etwa 2–5 km, in ländlichen Gebieten sind jedoch über 15 km möglich.
Niedriger Stromverbrauch:
Die Nutzung von LoRaWAN-Systemen geht mit einem geringen Energieverbrauch einher, wodurch diese Systeme besonders für Geräte mit geringem Stromverbrauch oder batteriebetriebene Geräte geeignet sind. Das bedeutet, dass diese Geräte über Jahre hinweg nicht alle paar Monate die Batterien austauschen müssen – ein wichtiger Vorteil für Fernüberwachungssensoren und Anlagenortungsgeräte in schwer zugänglichen Bereichen.
Skalierbarkeit:
Ein einzelnes LoRaWAN-Gateway kann Tausende von Geräten gleichzeitig verwalten und so umfangreiche Verbindungen ermöglichen. Durch die Nutzung der adaptiven Datenrate (ADR) zielt das LoRaWAN-Netzwerk, auch bekannt als Low Power Wide Area Network Resource Management, auf eine effizientere Kommunikation zwischen Geräten ab.
Kosteneffiziente Hardware:
Der Aufbau eines LoRaWAN-Netzwerks ist kostengünstig, da nur wenige Ressourcen benötigt werden. Open-Source-Infrastruktur und Software-Ressourcen machen die Einführung wirtschaftlicher.
Globale Vernetzung:
LoRaWAN steht laut LoRaWAN Alliance jedem Nutzer offen. Geräte und Netzwerke können reibungslos zusammenarbeiten, ohne dass ein gemeinsamer Anbieter erforderlich ist. Dies ermöglicht eine bessere marken- und branchenübergreifende Integration und erweitert die Anwendungsmöglichkeiten.
Häufige Anwendungsfälle von LoRaWAN
1. Intelligente Stadt
Die LoRaWAN-Technologie ermöglicht die Vernetzung verschiedener IoT-Geräte, Sensoren, intelligenter Zähler und anderer Komponenten in Smart Cities durch ein großflächiges Netzwerk. IoT-Geräte und -Netzwerke lassen sich in die bestehende städtische Infrastruktur integrieren und erleichtern so die Automatisierung von Prozessen sowie die Überwachung und Steuerung von Systemen, was wiederum zu einer Senkung der Betriebskosten führt. Hier einige Ideen für die Umsetzung in Smart Cities:
- Intelligente Straßenbeleuchtung: Steuern, verwalten und überwachen Sie die Straßenbeleuchtung der Stadt über ein weitverzweigtes LoRaWAN-Netzwerk mit der Möglichkeit, die Helligkeit basierend auf Verkehrsfluss und externer Beleuchtung zu regulieren, um die Energiekosten zu senken.
- Parkraummanagement: LoRaWAN-Sensoren erfassen die Belegung von Parkplätzen und informieren die Fahrer über die Verfügbarkeit von Parkplätzen, wodurch die Parkplatzprobleme und der Verkehrsfluss verbessert werden.
- Luftqualitätsüberwachung: Setzen Sie LoRaWAN-Sensoren ein, um die Konzentration verschiedener Schadstoffe in der Atmosphäre in der ganzen Stadt zu überwachen und so die Umweltverschmutzung einzudämmen.
2. Intelligente Landwirtschaft und ihre modernen Werkzeuge
Landwirtschaftliche Betriebe setzen zunehmend auf IoT- und LoRaWAN-Anwendungen im Außenbereich, insbesondere im Bereich der intelligenten Landwirtschaft. Sensoren übermitteln über das LoRaWAN-Netzwerk in Echtzeit Daten zu Pflanzen, Tierhaltung, Geräten, der Umgebung usw. Dies ermöglicht es Landwirten, Produktionsmengen anzupassen und so die Produktqualität zu verbessern.
3. Industrielles Internet der Dinge
Die LoRaWAN-Technologie wird auch erfolgreich in industriellen Betriebsumgebungen eingesetzt. Automatisierte Überwachung, Sicherheit und Anlagenverwaltung ermöglichen schnellere Reaktionszeiten für die Bediener. Beispielsweise bieten LoRaWAN-Netzwerke im Bereich Logistik und intelligente Lagerhaltung eine größere Reichweite und störungsfreiere Verbindungen als zuvor.
4. Energieversorger und intelligente Zähler
Intelligente Zähler (für Strom, Wasser usw.) ermöglichen die Fernüberwachung in Echtzeit, wodurch Fehler reduziert und die Effizienz verbessert werden.
5. Gesundheitswesen und Wearables
Auf LoRaWAN basierende tragbare Gesundheitsgeräte sind dafür ausgelegt, Patienten in Krankenhäusern, Bewohner von Altenpflegeeinrichtungen oder alle Personen, die eine Echtzeitüberwachung der Vitalfunktionen benötigen, kontinuierlich und zuverlässig zu überwachen.
LoRaWAN-Netzwerkarchitektur
1. Öffentliche und private LoRaWAN-Netzwerke
Ein öffentliches LoRaWAN-Netzwerk ist ein Netzwerk, das einem Drittanbieter, meist einem Telekommunikationsbetreiber oder Netzbetreiber, gehört und von den Nutzern, die ihre Geräte mit dem Netzwerk verbinden, eine Gebühr erhebt. Ein privates LoRaWAN-Netzwerk hingegen wird von einer Einzelperson oder einem Unternehmen aufgebaut und betrieben und steht in der Regel unter deren Kontrolle. Es ist oft geografisch begrenzt. Diese Art der Verbindung bietet häufig eine höhere Datensicherheit und besseren Datenschutz.
2. Hybridmodelle
Die Prinzipien von privaten und öffentlichen LoRaWAN-Netzwerken lassen sich so kombinieren, dass die Bedürfnisse der Nutzer nach Komfort und Reichweite eines privaten Netzwerks durch ein öffentliches, aber sichereres Netzwerk erfüllt werden. Je nach Situation können Nutzer entweder das öffentliche oder das private Netzwerk oder sogar beide gleichzeitig nutzen.
3. Netzwerkbereitstellung
Bewerten Sie die Flächenabdeckung, die erreichbare Datenrate und den Stromverbrauch der LoRaWAN-Netzwerke im Rahmen der Projektanforderungen. Nachdem Sie die Anzahl der benötigten Gateways im Abdeckungsbereich und die Einsatzorte festgelegt haben, erstellen Sie die Netzwerktopologie (typischerweise eine Stern-von-Stern-Topologie). Wählen Sie die geeigneten LoRaWAN-Zugangspunkte und weitere Geräte aus und installieren Sie diese. Nach Abschluss der Hardwareinstallation konfigurieren Sie die Gateways, den Netzwerkserver und beginnen mit Tests und Verifizierung. Führen Sie nach Projektabschluss regelmäßig Überwachungs- und Wartungsarbeiten an den Geräten durch.
LoRaWAN-Sicherheitsfunktionen
Ende-zu-Ende-Verschlüsselung
Die Ende-zu-Ende-Verschlüsselung schützt die gesamte Übertragung vom Endgerät zum Anwendungsserver. Sie verwendet üblicherweise zwei Verschlüsselungsebenen: die Netzwerkschichtverschlüsselung von LoRaWAN und die Anwendungsschichtverschlüsselung. Diese beiden Verschlüsselungstechniken erzeugen zwei unterschiedliche Schlüssel, NwkSKey und AppSKey. Das bedeutet, dass alle Informationen während der Übertragung verschlüsselt werden, vom Zeitpunkt des Sendens der Daten durch das Endgerät bis zum Eintreffen der Daten auf dem Anwendungsserver. Selbst wenn das Gateway oder ein zwischengeschalteter Netzwerkdienstanbieter das Datenpaket empfängt, kann er die Daten weder einsehen noch verändern.
Geräteauthentifizierung
LoRaWAN nutzt einen sehr strengen Geräteauthentifizierungsmechanismus, um den Zugang unbefugter Geräte zum Netzwerk zu verhindern. Es gibt zwei Hauptwege, um dem LoRaWAN-Netzwerk beizutreten.
OTAA (Over-the-Air-Aktivierung)
Diese Option bietet den besten Schutz vor allen Angriffen. Jedes Mal, wenn sich ein Gerät mit einem LoRaWAN-Netzwerk verbindet, wird ein neues Schlüsselpaar generiert (ein Netzwerk-Sitzungsschlüssel NwkSKey und ein Anwendungs-Sitzungsschlüssel AppSKey). Diese Schlüssel basieren auf der DevEUI des Geräts und dem AppKey. Mithilfe von OTAA wird bei jeder Netzwerkverbindung die Identität des Geräts verifiziert. Dadurch wird sichergestellt, dass keine unbefugten Geräte Zugriff auf das Netzwerk erhalten.
ABP (Aktivierung durch Personalisierung)
Bei diesem Verfahren sind die Geräteschlüssel vor der Gerätebereitstellung verfügbar. ABP erfordert zwar keine Neugenerierung der Schlüssel, die festen und unveränderlichen Sicherheitsbeschränkungen machen es jedoch OTAA unterlegen.
Ob OTAA oder ABP – die Geräteauthentifizierungsmechanismen von LoRaWAN verhindern jegliche unerwünschte Kommunikation von nicht authentifizierten Geräten in das Netzwerk.
Schlüsselmanagement
Die gesamte Kommunikation zwischen Geräten und Servern erfolgt verschlüsselt, wobei unterschiedliche Schlüssel zum Einsatz kommen. Das LoRaWAN-Netzwerk nutzt im Wesentlichen drei Schlüsselverwaltungsfunktionen.
- Der AppKey wird bei der Generierung von Sitzungsschlüsseln im Rahmen eines OTAA-Prozesses verwendet. Wenn sich ein Benutzergerät zum ersten Mal mit dem Netzwerk verbindet, hilft dieser Schlüssel bei der Erstellung eines Netzwerk-Sitzungsschlüssels und eines Anwendungs-Sitzungsschlüssels.
- NwkSKey ist der Schlüssel, der zur Verschlüsselung der Kommunikationsdaten zwischen den Geräten und den Netzwerkservern dient.
- AppSKey ist der Schlüssel, der die Anwendungsdaten zwischen Geräten und Anwendungsservern verschlüsselt.
Es ist zu beachten, dass das Schlüsselmanagement in LoRaWAN folgende Anforderungen erfüllen muss:
- Einzigartigkeit: Jedes Gerät verfügt über einen eigenen Schlüssel, der sich von den Schlüsseln anderer Geräte unterscheidet. Daher wird die Gerätekommunikation nicht durch andere Geräte gestört.
- Wichtige Aktualisierung: Der OTAA-Mechanismus hilft Geräten dabei, neue Schlüssel zu erstellen, wenn sie einem neuen Netzwerk beitreten. Dadurch werden die Risiken minimiert, die durch die Verwendung statischer Schlüssel über längere Zeiträume entstehen.
- Sicherheit der Schlüsselspeicherung: Geräte, Gateways und Server sollten diese Schlüssel wirksam schützen, da ein Angreifer diese Schlüssel möglicherweise erlangen möchte, um die übertragenen Informationen zu entschlüsseln.
LoRaWAN im Vergleich zu anderen IoT-Protokollen
LoRaWAN vs. NB-IoT
Reichweite: LoRaWAN bietet eine größere Kommunikationsreichweite und ist daher besonders in ländlichen Gebieten oder abgelegenen Regionen von Vorteil, wo die Reichweite bis zu 15 Kilometer betragen kann. NB-IoT hingegen hat einen begrenzten Reichweitenradius von etwa 10 Kilometern, ist aber in Städten und dicht bebauten Gebieten effektiver.
Stromverbrauch: LoRaWAN verbraucht sehr wenig Strom, daher halten die Akkus der Geräte mehrere Jahre, was ideal für den Langzeiteinsatz ist. NB-IoT ist ebenfalls sehr energieeffizient, hat aber aufgrund der großen Datenmenge eine kürzere Akkulaufzeit.
Anwendungsszenarien: Aufgrund seiner großen Reichweite und geringen Datenübertragungsrate eignet sich LoRaWAN hervorragend für Anwendungen wie Smart Farming, Umweltüberwachung und vieles mehr. NB-IoT hingegen ist besser geeignet für Bereiche mit hohem Datenvolumen und großer Signalreichweite, wie beispielsweise intelligente Zähler und Smart-City-Lösungen.
LoRaWAN vs. Wi-Fi/Bluetooth
Reichweite: Die Kommunikationsdistanz über LoRaWAN kann mehrere Kilometer betragen, während die von Wi-Fi und Bluetooth zwischen wenigen Metern und höchstens etwa hundert Metern liegt.
Akkulaufzeit: Aufgrund der geringen Sendeleistung und des sehr geringen Datenvolumens, das über LoRaWAN übertragen wird, kann der Akku des Geräts mehrere Jahre aktiver Nutzung durchhalten. Geräte mit WLAN- und Bluetooth-Technologie verbrauchen hingegen mehr Strom und müssen daher regelmäßig aufgeladen oder ersetzt werden.
Datendurchsatz: LoRaWAN ist für die Übertragung niedriger Datenraten ausgelegt und sein Durchsatz ist selbst dann auf wenige Datenpakete begrenzt, wenn Latenz kein Problem darstellt. Wi-Fi- und Bluetooth-Technologien hingegen erreichen einen höheren Datendurchsatz und können daher in Kontexten eingesetzt werden, in denen große Datenmengen übertragen werden.
Die richtigen LoRaWAN-Produkte und -Lösungen auswählen
Ihre Bedürfnisse verstehen:
Um die Vorteile des Einsatzes einer LoRaWAN-Infrastruktur optimal zu nutzen, müssen folgende Aspekte berücksichtigt werden.
- Reichweite: Obwohl LoRaWAN eine drahtlose Abdeckung über große Entfernungen ermöglicht, wird die Signalqualität durch das geografische Gelände und die Bebauung begrenzt. Daher ist es wichtig, den jeweiligen Einsatzort zu berücksichtigen und die Anordnung des Gateways sorgfältig zu planen.
- Lebensdauer der Batterie: Überlegen Sie, wie lange Sie erwarten, dass Ihr LoRaWAN-Gerät funktioniert, und wählen Sie ein Gerät, dessen Akkulaufzeit und Stromverbrauch im Betrieb ausreichend erscheinen.
- Datendurchsatz: Entscheiden Sie, ob Sie an einer einfachen und seltenen Datenübertragung interessiert sind oder im Gegenteil an einer häufigen Übertragung großer Datenmengen. LoRaWAN ist für Umgebungen konzipiert, in denen die Datenübertragung nicht so hoch ist.
- Kosteneffizienter Ansatz: Bei der großflächigen Einführung eines LoRaWAN-Netzwerks ergeben sich erhebliche Kostenvorteile. Die Wahl der passenden Option hängt jedoch von der Projektgröße und den Projektfaktoren wie Gerätekosten, Gateway-Kosten und Netzwerkwartung ab.
- Skalierbarkeit: Wenn Ihr Vorhaben eine breite Palette an Geräteverbindungen erfordert oder Sie die Gerätekonnektivität in den kommenden Jahren einfach einrichten möchten, dann ist LoRaWAN die am besten geeignete Option.
Arten von LoRaWAN-Geräten:
LoRaWAN-Geräte gibt es in verschiedenen Ausführungen, z. B. als Gateways, Sensoren, Tags, Module usw. Die neuesten MST01 LoRaWAN® Temperatur- und Feuchtigkeitssensor Der von Minew entwickelte Sensor nutzt LoRaWAN-Technologie, um die Reichweitenbeschränkungen herkömmlicher Sensoren zu überwinden und gleichzeitig den Stromverbrauch des Geräts zu senken. Dieser Sensor ist von großer Bedeutung für das Management intelligenter Lagerlogistik- und Transportsysteme.
Führende LoRaWAN-Anbieter:
Immer mehr Anbieter in der IoT-Branche bringen LoRaWAN-Produkte und -Lösungen auf den Markt. Minew ist eines der führenden Unternehmen in diesem Bereich und spezialisiert auf IoT-Hardwarelösungen. Es verfügt über mehr als 200 Patente und Originalitätszertifikate. Gemeinsam mit Minew entwickeln Sie eine maßgeschneiderte IoT-Hardwarelösung, die Ihren Anforderungen entspricht.
Die Zukunft von LoRaWAN
1. Neue Anwendungsgebiete: Durch die Verbesserung der Satellitenkommunikation kann LoRaWAN Sensorüberwachung in Anwendungen wie der Raucherkennung in nicht einsehbaren Waldgebieten oder der Temperaturmessung auf Meeresbojen usw. nutzen. Anhand der von LoRaWAN-Sensoren bei Interaktionen erfassten Daten können intelligente Städte effektive Transportmanagementstrategien umsetzen.
2. LoRaWAN und 5G: Lösungen für die industrielle Automatisierung nutzen 5G, um die Fernsteuerung von Anlagen mithilfe von Daten von LoRaWAN-Sensoren zu ermöglichen.
3. LoRaWAN im globalen IoT-Ökosystem: Der Anwendungsmarkt für LoRaWAN-Technologie verzeichnet ein rasantes Wachstum. Prognosen zufolge wird der globale LoRa- und LoRaWAN-IoT-Markt bis 2030 auf 48,4 Milliarden US-Dollar anwachsen, was einer Wachstumsrate von 36,81 % im Prognosezeitraum entspricht. Der IoT-Markt schätzt diese Technologie aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile.
Fazit: Ist LoRaWAN das Richtige für Sie?
Die Vorteile der LoRaWAN-Technologie liegen auf der Hand. Es ist nicht mehr notwendig, Gateways dicht zu verlegen, um Signale von weit entfernten Geräten zu empfangen. LoRaWAN erfüllt die Anforderungen Ihres Projekts problemlos und zu einem sehr günstigen Preis. Dank des LoRaWAN-Netzwerks haben Sie außerdem einfachen Zugriff auf Daten, die Ihnen strategische Entscheidungen ermöglichen und so die Gesamtproduktivität Ihres Projekts und Ihres Unternehmens steigern. Im IoT-Markt nimmt die Anzahl der Produkte und spezialisierten Dienstleistungen, die auf der LoRaWAN-Technologie basieren, stetig zu.
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