Was ist LoRaWAN und wird es sich gegen NB-IoT behaupten können?

Wer sich mit IoT und Predictive Maintenance beschäftigt wird auch mit dem Thema LoRa bzw. LoRaWAN in Berührung kommen. LoRa bezeichnet die Übertragungstechnologie (eine Spread-Spektrum Modulationstechnik) und LoRaWAN aufbauend darauf das Konzept zum Aufbau eines Netzwerkes auf der LoRa Basis.

Im Allgemeinen handelt es sich bei den Technologien um eine Infrastruktur für ein Long Range Wide Area Netzwerk mit geringer Übertragungsbandbreite. Spezielles Augenmerk bei dieser Technologie wird auf den Einsatz für IoT Projekten gelegt. Und zwar auch bei solchen, wo die sogenannten Nodes mit sehr wenig Energie eine sehr lange Zeit auskommen müssen. Das schließt auch mit ein, dass Nodes mehrere Jahre hindurch mit einer Batterie betrieben werden, ohne diese ersetzen zu müssen.

Node, Gateway, LoRa Server

Eine LoRaWAN Netzinfrastruktur ist sternförmig aufgebaut. Dabei senden die Nodes die Datenpakete über die Funkschnittstelle (strichlierte Linie) an die Gateways. Von den Gateways zum LoRa Server (durchgezogene Linie) wird in der Regel ein IP-Netzwerk eingesetzt.

• Node: damit sind die Sensorknoten bezeichnet. Nodes haben die Aufgabe eine oder mehrere bestimmte Werte als Messgrößen zu ermitteln und per LoRaWAN an den Server zu übertragen. Viele der verfügbaren Sensoren sind mit einer Batterie ausgestattet.

  Der Sensor ist von der Hardware auf eine lange Laufzeit ausgelegt. Spezielle Lo-Power-Microcontroller und eine entsprechend geringe Übertragungsrate ermöglichen lange Laufzeiten. Die meisten Nodes können Daten senden und empfangen. Die Übertragung liegt im Bereich 50-200 Bytes an Daten. Für ein paar Sensorwerte ist die Menge ausreichend.

  Für den Eigenbau oder einen Prototyp eines Nodes gibt es z.B. für die Arduino Plattform die passende Bibliotheken. Damit lassen rasch LoRaWAN Sensoren für den Heimgebrauch oder als Prototyp entwickeln.

• Gateway: die Sensoren sind per LoRa an ein Gateway angebunden und leiten die Daten über Internet an einen LoRa Server weiter. Die gesamte Datenübertragung vom Node zum Server wird verschlüsselt durchgeführt. Die Daten der Nodes werden vom Gateway an den konfigurierten Server weitergeleitet. Das Gateway kann als Bridge zwischen dem LoRa Netz und dem Internet verstanden werden.

  Die Nodes sind nicht fix mit einem Gateway verbunden, sondern sie senden einfach Daten und vertrauen darauf, dass diese von einem oder mehreren Gateways empfangen werden und an einen LoRa Server weitergeleitet werden. Das Gateway kann die Daten der Nodes nicht entschlüsseln und somit auch nicht lesen. Jedes Gateway, dass die Daten von Ihrem Sensor empfängt, leitet es an seinen konfigurierten Server weiter. Sie können das nicht verhindern. Allerdings sind die Daten verschlüsselt und können nur von jenem Server entschlüsselt werden, für die die Node konfiguriert ist (siehe unter Aktivierung von Knoten).

• LoRa Server: empfangen von den Gateways die weitergeleiteten Daten. Das gleiche Datenpaket kann auch von mehreren Gateways empfangen werden. Doppelte Pakete werden vom Server verworfen. Vom Server können die Daten in einer Webapplikation weiterverarbeitet werden. Z.B. eine App für Predictive Maintenance.

Aktivierung von Knoten

Ein Node muss aktiviert werden. Dafür gibt es 2 Möglichkeiten:

• Over The Air Aktivierung (OTAA): mit dem sogenannten Join Verfahren wird ein Knoten am Server aktiviert. Dabei wird ein Applikationsschlüssel AppKey am Server hinterlegt. Auf Basis des Schlüssels kann in Folge eine gesicherte Verbindung zwischen Node und Server aufgebaut werden. Der Schlüssel selbst wird nie übertragen.

  Der Vorgang läuft in mehreren Schritten ab:

  • Join Request: der Node schickt einen Join Request aus. Der Request besteht aus DevEUI, AppEUI und DevNonce. Die DevNonce ist eine bei jedem Join Request erhöhte Nummer, die DevNonce muss dazu am Node in einem nicht flüchtigen Speicher hinterlegt werden.
  • Endgerät authentifizieren: mit dem am Gerät geheimen gespeicherten AppKey wird das Gerät authentifiziert und der NwkSKey und der AppSKey berechnet. Der NwkSKey wird dem LoRa Netzwerk geteilt, der AppSKey bleibt privat. Die Schlüssel gelten für die Node für eine Session. Bei der nächsten Verbindung mit dem Netzwerk werden wieder ein neuer NwkSKey und AppSKey berechnet.
  • Join Accept: mit dem AppSKey wird der Payload zwischen Node und Applikationsserver verschlüsselt. Mit dem NwkSKey wird die Integrität der übertragenen Daten geprüft.

• Aktivierung durch Personalisierung (ABP): bei dieser Methode werden die Schlüssel manuell konfiguriert. Der Node kann ohne eine spezielle Prozedur (wie beim OTAA) sofort mit der Datenübertragung beginnen, ohne die notwendigen Schlüssel dafür auszutauschen.

Lange Batterielaufzeit der Sensoren, bis zu 10 Jahre

Nodes für LoRaWAN sind so ausgelegt, dass sie mit einer Batterie mehrere Jahre auskommen. Die Batterielaufzeit hängt direkt mit der Anzahl und dem Intervall der übertragenen Daten ab. Je nach Anwendungsfall sollte hier festgelegt werden, wie weit das Intervall erhöht werden kann. Manche Hersteller von Sensoren liefern einen Batter-Lebenszeit-Rechner mit. Es kann so für eine bestimmte Datenmenge und ein bestimmtes Transferintervall die Lebensdauer der Batterie abgeschätzt werden.

Neben der Datenübertragung beeinflussen die Sensoren auf dem Node und die notwendige Energie zur Messung die Laufzeit der Batterie. Wenn alle Werte optimiert sind, ergeben sich Laufzeiten von 10 Jahren oder sogar mehr.

LoRa Netzwerke und TTN

TTN The Things Network ist ein Community-basiertes freies Netzwerk für IoT Anwendungen. Das TTN Netzwerk ist global verfügbar. Jeder kann Gateways in Betrieb nehmen und sie in das Netzwerk integrieren. Der Grundgedanke ist, dass allen Betreibern von Nodes alle Gateways weltweit zur Verfügung stehen. Wer also selbst Gateways für eigene Projekte betreibt, stellt sie auch anderen Nutzern zur Verfügung. TTN selbst betreibt auch LoRa Server und Applikationsserver, die für eine kommerzielle Nutzung gemietet werden können.

Neben TTN gibt es zahlreiche kommerzielle Netzwerke, deren Dienste gegen Unterzeichnung eines Vertrages eingesetzt werden können. Im Gegensatz zu TTN, bei dem alle Dienste auf Basis best effort angeboten werden, gibt es hier vertraglich festgelegte Parameter, z.B. die Anzahl an erlaubten Nodes, Datenmenge oder Intervalle.

Alternative Funktechnologien

Auch andere Technologien im LPWAN Bereich (low-power-wide-area-network) beanspruchen ihren Platz. Intensive Fortschritte gibt es bei NB-IoT. Diese Technologie wird von Telekommunternehmen vorangetrieben. Fokus liegt dabei nicht so sehr auf der langen Lebensdauer der Batterie, sondern auf der höheren Übertragungsrate. Vorteil bei NB-IoT ist der einheitliche Standard und die vorhandene Netzinfrastruktur, die hier weiterverwendet werden kann.

Im Bereich der Community-basierten Netze gibt es noch Sigfox oder nWave und noch andere Technologien. Allerdings kämpfen diese Netze mit der sehr dünn ausgebauten Netzinfrastruktur. Nur in größeren Städten oder einzelnen Ländern kann auf ein flächendeckendes Netz zurückgegriffen werden.

Fazit

Mit NB-IoT gibt es einen intensiven kommerziellen Hintergrund, der von großen Telekommunikationsdienstleistern aufgegriffen wird. Besonders wenn damit die schon vorhandenen Netze für zusätzliche Dienste eingesetzt werden können. Nicht weniger bleibt weiterhin LoRaWAN für Projekte interessant, bei denen die Netzabdeckung regional eingeschränkt werden kann oder die notwendige Datenrate nicht ganz so ausschlaggebend ist. Konkrete Anwendungsfälle könnte im Bereich Industrie und Maschinebau sein.