LoRaWAN steht für Long Range Wide-Area-Network. Hierbei handelt es sich um ein Netzwerkprotokoll für kabellose IoT-Geräte („Internet of Things“). Das Hauptaugenmerk liegt hier auf der sicheren Übertragung kleiner Datenmengen über große Entfernungen bei gleichzeitig niedrigem Energieverbrauch.
So viel zur Zusammenfassung - schauen wir uns einige Details an…
¶ Grundlegendes
Möchte man Daten über Funk übertragen muss man bei der Wahl der Mittel auf drei wichtige Kenngrößen achten:
Energieverbrauch, Reichweite und Übertragungsrate
Das Dilemma hierbei: Die Kenngrößen beeinflussen sich gegenseitig und es ist unmöglich eine Übertragungstechnologie auf alle drei zu optimieren.
In der Regel läuft die Wahl auf eine „wähle zwei“-Regel hinaus:
- Hohe Übertragungsrate und hohe Reichweite erkauft man sich mit einem hohen Energieverbrauch
- Hohe Übertragungsrate und niedriger Energieverbrauch ergeben eine geringe Reichweite
- Niedriger Energieverbrauch und hohe Reichweite kann man nur mit einer geringen Übertragungsrate erreichen
LoRaWAN und der zugrundeliegende Funkstandard namens „LoRa“ (weiteres hierzu weiter unten im Artikel) wurden hier bewusst für die letztere Option optimiert:
Hohe Reichweite mit geringer Bandbreite, dafür aber einem sehr niedrigen Energieverbrauch.
Diese Eigenschaften machen LoRa(WAN) zu einem idealen Übertragungsmedium für Systeme, die geringe Datenmengen über eine große Entfernung (oder durch dicke Wände hindurch) transportieren müssen, gleichzeitig aber nur wenig Strom verbrauchen dürfen:
👉 Sensoren im Batterie- oder Solarbetrieb.
¶ LoRa(WAN) in Zahlen
Was bedeutet dies nun genau? Was kann LoRaWAN leisten? Hier ein paar Zahlen zur Orientierung:
- Ein LoRa-Node (ein Gerät in der Wildnis oder im Großstadtdschungel) kann je nach Ausstattung und Antenne Nachrichten über Entfernungen von bis zu
2 Kilometernim urbanen Umfeld oder ca.15 Kilometernauf dem Land übertragen. - Dabei werden Datenübertragungsraten von
292 bits/sekundebis zu50 kilobit/sekundeerreicht. - Gleichzeitig ist der Stromverbrauch so gering, dass ein Node in der Regel mehrere Monate oder gar Jahre mit einer Batterieladung auskommen - oder sich komplett autark über eine Solarzelle mit Strom versorgen kann.
Ein Beispiel für einen solchen LoRa Node ist die CubeCell Capsule, die wir im Chaostreff bereits testen konnten:
Sendet die Kapsel alle 15 Minuten Daten zu Temperatur und Luftfeuchtigkeit, hält eine Akkuladung der verbauten 80 mAh LiPo-Zelle ca. 100 Tage lang. Ein bis drei sonnenreiche Tage reichen dann für eine komplette Aufladung des Akkus über die im Gehäuse verbaute Solarzelle.
¶ LoRaWAN und LoRa
Die beiden Begriffe LoRaWAN und LoRa werden häufig synonym verwendet, meinen aber eigentlich zwei unterschiedliche Dinge.
LoRa ist ein proprietärer Funkstandard, der von der Firma Semtech entwickelt wurde. Dieser ist auf eine hohe Reichweite bei möglichst niedrigem Energieverbrauch optimiert und bildet die Basis für LoRaWAN.
Für die Datenübertragung nutzt LoRa Frequenzen, die im ISM- oder SRD-Band definiert sind.
Für Europa sind dies 433,05 bis 434,79 MHz (ISM-Band Region 1) und 863 bis 870 MHz (SRD-Band Europa) - in Nordamerika 902 bis 928 MHz (ISM-Band Region 2).
LoRaWAN bezeichnet ein Netzwerkprotokoll, welches auf der LoRa-Funktechnik aufsetzt. Es definiert die Teilnehmer des Netzwerkes und ihre Kommunikation untereinander - ebenso legt es die Formate und Verschlüsselungsdetails der gesendeten Datagramme fest. LoRaWAN wird von der LoRa Alliance, einem gemeinnützigen Verein, entwickelt und gefördert.
¶ Architektur
Ein LoRaWAN-Netz teilt sich in vier Bereiche auf: Nodes, Gateways, Provider und Anwendungen:
¶ Node
Als „Node“ wird ein Sensorknoten in der freien Natur bezeichnet, der seine Daten via LoRaWAN an eine oder mehrere Anwendungen weitergeben möchte.
Jeder Node verfügt über zwei Schlüssel, die zur Verschlüsselung der zu übertragenden Daten genutzt werden:
- Applikationsschlüssel (
AppSKey) und - Netzwerkschlüssel (
NwkSKey)
Soll nun ein Datensatz über LoRaWAN gesendet werden, verschlüsselt der Node die für die Applikation gedachten Nutzdaten mit dem AppSKey, fügt dem verschlüsselten Datensatz Routing- und Netzwerkinformationen hinzu und verschlüsselt dieses Paket nun mit dem NwkSKey.
Durch die zweistufige Verschlüsselung ist zum Einen sichergestellt, dass niemand unbefugtes den gesendeten Datensatz abfangen und lesen kann - zum Anderen kann der Netzwerkbetreiber, über den das Datenpaket transportiert wird nur auf die für das Netzwerk relevanten Daten zugreifen. Die Nutzdaten selbst bleiben nur der Applikation vorbehalten.
Das verschlüsselte Datenpaket wird schließlich über die Funkschnittstelle des Nodes versendet und erreicht ein oder mehrere Gateways.
Weitere Informationen über Nodes und die von uns bereits getestete und dokumentierte Node-Hardware sind hier zu finden: LoRaWAN Nodes
¶ Gateway
Ein Gateway fungiert als Übersetzer zwischen der LoRa-Funkübertragung und dem Internet. Es empfängt von Nodes gesendete Datagramme und leitet diese über das Internet an das Netzwerk weiter, für das das Gateway konfiguriert ist. Ebenso ist es möglich, über das Gateway Nachrichten an einen Node zurückzusenden - was jedoch seltener vorkommt.
Da ein Gateway in der Regel am Stromnetz hängt, ist eine hohe Energieeffizienz nicht notwendig. Je nach Aufstellort des Gateways wird die benötigte Internetverbindung über LAN, WLAN oder das Mobilfunknetz hergestellt.
Um einen möglichst weitreichenden Empfang zu gewährleisten, werden Gateways normalerweise im Freien an exponierten Orten - ideal sind Masten oder Türme, die eine weite Umgebung überblicken können - angebracht.
Der Chaostreff betreibt ein Gateway im Haus des Gastes in Hilpoltstein. Aufgrund des denkmalgeschützten Gebäudes wurde die Antenne hier jedoch nicht im Freien platziert, sondern möglichst hoch im Dachstuhl.
Weitere Infos über Gateways im Allgemeinen und vom Chaostreff verwendeter Hardware finden sich hier: LoRaWAN Gateways
¶ Networks (Provider)
Ein Netzwerk(-provider) verarbeitet die von den Gateways entgegengenommenen Datenpakete und leitet sie an die Applikation weiter, für die das jeweilige Paket gedacht ist.
Genauergenommen übernimmt das Netzwerk die folgenden Funktionen:
- Autorisierung / Authentifikation
Prüfung, ob das Paket überhaupt für dieses Netzwerk gedacht (Entschlüsselung über denNwkSKeyund Prüfung, ob die Zielapplikation überhaupt registriert ist) - Deduplikation
Prüfung, ob das gleiche Datenpaket bereits von einem anderen verbundenen Gateway empfangen wurde. Doppelte Pakete werden in der Regel verworfen - Routing
Weiterleiten des Datenpakets zur richtigen Applikation. Hierbei kommt die Art der Zustellung auf die Applikation an (Webhook, MQTT-Nachricht, etc).
Ebenso werden etwaige Pakete für die Nodes an das Gateway weitergeleitet, das die beste Signalqualität für den jeweiligen Node aufweist
Im Chaostreff haben wir uns dazu entschieden, unser Gateway an das TTN (The Things Network) anzubinden.
TTN ist eine communitybasierte Initiative mit dem Ziel, ein offenes, weltumspannendes IoT-Netz aufzubauen, das von jedem genutzt werden kann. Dementsprechend steht es jeder Person im Empfangsbereich frei, unser Gateway für eigene LoRaWAN-Projekte zu nutzen.
¶ Anwendung
Die Anwendung ist das finale Glied in der Kette: Sie nimmt die von den Nodes über das Netzwerk gesendeten Datagramme entgegen, entschlüsselt sie (falls das nicht bereits vom Netzwerk zur Vereinfachung der Anbindung erledigt wird) und verarbeitet sie weiter. Hierbei kommt es nun auf die Applikation an, was mit den Daten geschieht. Einige Beispiele der Nutzung sind:
- Anzeige der Daten auf einem Dashboard
- Auslösen von Aktionen (z.B. Alarme bei Bewegungsmeldern oder das Öffnen von Ventilen bei Füllstandssensoren)
- Persistieren (in Datenbanken, etc)
- Weiterleiten/Bereitstellen (an andere Dienste, Applikationen)