LoRaWAN für Maker (eBook)

1.2    Ein Exkurs in die Technik – keine Angst vor Fachbegriffen

Endgeräte und Gateways im LoRaWAN nutzen ein proprietäres und patentiertes Übertragungsverfahren, das auf einer Chirp-Spread-Spectrum-Modulationstechnik mit der Bezeichnung LoRa basiert. Das LoRa-Protokoll ist asymmetrisch und auf die energieeffiziente Uplink-Kommunikation für Reichweiten über 10 km ausgerichtet.

LoRa nutzt regional unterschiedliche Frequenzbereiche im ISM- und im SRD-Band. In Europa ist es das Frequenzband von 433,05 bis 434,79 MHz (ISM-Band Region 1) und von 863 bis 870 MHz (SRD-Band Europa). In Nordamerika ist das Frequenzband von 902 bis 928 MHz (ISM-Band Region 2) dafür freigegeben. Die Frequenzspreizung ermöglicht eine hohe Effizienz beim Datentransfer und beim Energieverbrauch. Die Datentransferrate zum Endgerät kann durch den LoRaWAN-Netzserver je nach Bedarf angepasst werden. Dies wird als Adaptive Data Rate (ADR) bezeichnet.

Die Reichweiten erstrecken sich von 2 km in Stadtgebieten bis zu 40 km in ländlichen Gebieten. Ein weiterer Vorteil ist die Gebäude-Durchdringung, sodass auch Kellerräume erreicht werden können. Der Strombedarf in Endgeräten beträgt rund 10 mA im Betrieb und nur 100 nA im Ruhemodus. Wenn wir die Selbstentladung der Batterie vernachlässigen, ergibt sich eine Batterielebensdauer von bis zu fünfzehn Jahren.

Die Kommunikation zwischen einem Endgerät und dem Gateway erfolgt auf verschiedenen Frequenzkanälen mit Datenraten von 0,3 bis 50 kBit/s. Die öffentlichen Frequenzen dürfen nicht überlastet werden, deshalb sollen LoRa-Knoten (engl. Nodes) möglichst nicht mehr als eine Nachricht pro ca. 5 Minuten senden. Dies schränkt den Einsatz als Realtime-Anwendungen natürlich ein.

Abbildung 1.6     Maschennetz vs. Sternnetz

Im Gegensatz zum maschenförmigen Netz bei Wi-Fi und Bluetooth ist die LoRaWAN-Architektur sternförmig. Abbildung 1.6 zeigt das Prinzip auf der rechten Seite. LoRa-Endgeräte (engl. End Devices) kommunizieren mit LoRaWAN-Gateways, die die Datenpakete an einen LoRaWAN-Server senden. Der Server verbindet sich mit hoher Bandbreite über WiFi, Ethernet oder Mobilfunk mit einem Netzwerk für IoT-Plattformen und Applikationen. Die Kommunikation im LoRaWAN ist zweifach mit 128-Bit-AES (engl. Advanced Encryption Standard) verschlüsselt: zum einen bis zum Netzserver und zum anderen bis zu den Anwendungsservern. Alle Gateways leiten die Daten aller Endgeräte in Reichweite an einen LoRaWAN-Server weiter. Ein einziges Gateway kann Tausende Devices bedienen.

Abbildung 1.7 zeigt die Architektur in der Übersicht.

Abbildung 1.7     LoRaWAN-Architektur

Das zentrale Element eines LoRaWAN-Netzwerks ist der für die Verwaltungsfunktionen zuständige Netzwerkserver (engl. Network Server). Der Join-Server (von engl. to join, für dt. beitreten) kümmert sich um die Authentifizierung der Endgeräte. In einem LoRaWAN-Netzwerk gibt es zwei Authentifizierungsmethoden:

• personalisierte Aktivierung: ABP (engl. Activation By Personalization)

• gegenseitige Aktivierung: OTAA (engl. Over The Air Activation)

Bei ABP werden eine Geräteadresse und ein Session-Key fest vergeben. Bei OTAA führt das Endgerät eine Beitrittsprozedur (engl. Join) durch. Der Anwendungsserver (engl. Application Server) ist für die Weiterleitung aller vom Netzwerkserver empfangenen Pakete an die zugehörige Anwendung zuständig. In der anderen Richtung leitet er Nachrichten aus der Applikation an den Netzwerkserver weiter. Die Kommunikation zwischen den Servern erfolgt über das IP-Netzwerk per Ethernet, drahtlos per WiFi oder über den Mobilfunkstandard LTE (engl. Long Term Evolution).

Jedes LoRaWAN-Modul verfügt über mindestens einen LoRa-Chip sowie über eine Antenne, die für die Datenübertragung über weite Strecken optimiert wurde. Durch den sternförmigen Aufbau des LoRaWAN-Netzwerks ist sichergestellt, dass jeder Endpunkt über ein Gateway direkt mit dem Netzwerk verbunden ist. In diesem Netzwerk verteilt der zentrale Server die übermittelten, einzigartigen Endgeräte-IDs (EUI, engl. Extended Unique Identifier) und die Nutzdaten (engl. Payload) an die jeweilige Anwendung (engl. Application). Mit den eindeutigen IDs lassen sich alle Sensoren, Aktoren sowie Peripheriegeräte voneinander unterscheiden und die Daten lassen sich den richtigen Anwendungen zuordnen.

Die LoRaWAN-Spezifikation kennt drei Geräteklassen (siehe Abbildung 1.8). Grundsätzlich müssen alle Knoten der Klasse A entsprechen – Klasse B und Klasse C sind Erweiterungen der Spezifikation von Klasse A.

Abbildung 1.8     Geräteklassen der LoRaWAN-Spezifikation

• In der Klasse A findet eine bidirektionale Kommunikation zwischen einem Endgerät und dem Gateway statt. Die Übermittlung von Sensordaten (Uplink) ist jederzeit möglich. Danach öffnet das Gerät zwei Zeitfenster (RX1-Delay und RX2-Delay) und ermöglicht die Übermittlung von Werten (z. B. Konfigurationsdaten) vom Server an das Modul (Downlink). Die Geräte der Klasse A senden entweder regelmäßig entsprechend ihrer Konfiguration oder ereignisgesteuert beim Über- oder Unterschreiten bestimmter Schwellenwerte. Danach gehen sie batteriesparend in einen Power-down-Modus bis zur nächsten Übermittlung.

• Die erste Erweiterung der Klasse A ist die Klasse B. Hier werden in der Kommunikation periodische Empfangsfenster hinzugefügt. Das Gateway sendet alle 128 Sekunden ein kurzes Funktelegramm, ein sogenanntes Beacon (für dt. Funkbake). Durch den Empfang dieses Beacons können sich die Geräte mit dem Gateway synchronisieren. Das gesamte Zeitfenster für die Kommunikation wird als Beacon-Periode bezeichnet und die Zeit für den möglichen Downlink-Empfang wird Ping-Slot genannt. Nach dem Uplink sind auch noch die Zeitfenster gemäß Klasse A vorhanden. Im Gerät ist eine integrierte Echtzeituhr notwendig, damit es zu bestimmten Zeiten in Empfangsbereitschaft gehen kann.

• Besonders interessant sind Geräte, die der Klasse C zuzuordnen sind. Die Klasse C erweitert ebenfalls die Klasse A, indem hier ein permanentes Empfangsfenster offen gehalten wird. Die Geräte stehen ständig für Downlink-Daten zur Verfügung, das Zeitfenster schließt sich nur während einer Uplink-Übertragung. Dies ist energieaufwendig, und daher handelt es sich hier meist um Geräte, die an einer eigenen Stromversorgung hängen. Anwendungsbeispiele sind z. B. (Straßen-)Beleuchtungen, Bewässerungsanlagen, Ereignismelder, Fahrplananzeiger oder der IO-Controller, den Sie in Kapitel 4 kennenlernen: DRAGINO LT-22222-L. Tabelle 1.1 fasst die wesentlichen Informationen in einer Übersicht zusammen: