LoRaWAN ist ein Protokoll für Low-Power Wide-Area Networks (LPWAN), also Funknetze für batteriebetriebene Sensoren und Zähler, die kleine Datenmengen über große Entfernungen senden. Ein Gerät sendet jeden Messwert als kurzes Funkpaket in einem lizenzfreien Band unter 1 GHz. Jedes LoRaWAN-Gateway in Reichweite empfängt es und leitet es über IP an einen Netzwerkserver weiter, der es prüft, Duplikate entfernt und die entschlüsselten Daten an eine Anwendung übergibt. Typische Verbindungen reichen in Städten einige Kilometer und über freies Gelände weiter, mit einigen hundert Bit bis einigen Kilobit pro Sekunde, und ein Gerät kann jahrelang mit einer Batterie laufen. Die LoRa Alliance veröffentlicht die Spezifikation, die die ITU-T auch als Empfehlung Y.4480 übernommen hat.
LoRaWAN im Überblick
| LoRaWAN | |
|---|---|
| Funk | LoRa-Chirp-Spread-Spectrum, lizenzfreie Bänder unter 1 GHz |
| Frequenzen | 863 bis 870 MHz in Europa (EU868), 902 bis 928 MHz in Nordamerika (US915), weitere Pläne je Land |
| Datenrate | 250 bit/s bis 5,5 kbit/s auf 125-kHz-Kanälen in EU868 |
| Nutzdaten | 51 Byte pro Uplink bei der langsamsten Datenrate in EU868, bis 222 Byte bei der schnellsten |
| Reichweite | Hunderte Meter in Gebäuden, Kilometer im Freien, je nach Antennen und Gelände |
| Topologie | Stern aus Sternen: Geräte zu Gateways, Gateways zu einem Netzwerkserver |
| Sicherheit | AES-128: ein Schlüssel für die Integrität im Netz, ein eigener Schlüssel für die Nutzdaten der Anwendung |
| Batterielaufzeit | Jahre, abhängig vom Meldeintervall und vom Spreading Factor |
| Betreiber | Sie selbst (privates Netz) oder ein öffentlicher Netzbetreiber |
LoRa und LoRaWAN sind nicht dasselbe
LoRa ist die Funkmodulation, entwickelt von Semtech. Sie spreizt jedes Symbol als Chirp über einen Kanal von 125 kHz oder mehr, sodass ein Empfänger Signale weit unter dem Rauschpegel dekodieren kann. Der Spreading Factor (SF7 bis SF12) bestimmt, wie lange jedes Symbol dauert: Ein höherer SF ist langsamer, reicht aber weiter.
LoRaWAN ist das Netzprotokoll darüber, veröffentlicht von der LoRa Alliance. Es legt fest, wie Geräte beitreten, wie Frames adressiert und verschlüsselt werden, wann ein Gerät empfangen darf und wie der Netzwerkserver die Datenraten steuert. Ein Funkmodul oder ein Sensor, der „LoRa nutzt“, kann stattdessen ein proprietäres Punkt-zu-Punkt-Protokoll fahren, das kein LoRaWAN-Netz empfängt. Prüfen Sie, dass ein Gerät LoRaWAN-zertifiziert ist oder zumindest seine LoRaWAN-Version und seinen Regionalplan angibt.
So funktioniert ein LoRaWAN-Netz
| Teil | Was es tut |
|---|---|
| Endgerät | Ein Sensor oder eine Zählerschnittstelle mit LoRa-Funk. Es sendet Uplinks, wenn es Daten hat, und hört zu festen Zeiten auf Downlinks |
| Gateway | Empfängt jedes LoRa-Paket, das es auf seinen Kanälen hört, und leitet es über Ethernet oder Mobilfunk an den Netzwerkserver weiter. Die Nutzdaten dekodiert es nicht |
| Netzwerkserver | Entfernt Duplikate, die mehrere Gateways empfangen haben, prüft Frame-Zähler und Integritätscode, steuert die Datenraten und plant Downlinks |
| Join-Server | Hält den Stammschlüssel jedes Geräts und wickelt den Beitritt ab, sodass der Netzwerkserver den Anwendungsschlüssel nie sieht |
| Anwendungsserver | Entschlüsselt die Nutzdaten und führt den Payload-Decoder des Geräts aus, der Bytes in benannte Werte mit Einheiten umwandelt |
Geräte leiten nicht füreinander weiter und sind an kein bestimmtes Gateway gebunden. Ein Messwert, den drei Gateways hören, erreicht den Netzwerkserver dreimal; so geht beim Ausfall eines Gateways nichts verloren. Gateways leiten an den Netzwerkserver mit dem UDP-Packet-Forwarder von Semtech oder mit LoRa Basics Station über einen gesicherten WebSocket weiter.
Den Netzwerkserver vergisst man leicht. Jede Installation braucht einen: den eines öffentlichen Netzes, einen Cloud-Dienst oder einen vor Ort betriebenen. Die Geräteschlüssel, die Decoder und die Integrationen, die Daten weitergeben, liegen alle dort; klären Sie also früh, wem er gehört.
Geräteklassen
| Klasse | Wann das Gerät empfangen kann | Typisches Gerät |
|---|---|---|
| A | Nur in zwei kurzen Fenstern nach jedem eigenen Uplink | Batteriesensoren und Zählerleser: jedes Gerät unterstützt Klasse A |
| B | Zusätzlich in geplanten Slots, synchronisiert durch Beacons der Gateways | Batterieaktoren, die Befehle innerhalb von Minuten brauchen |
| C | Fast ständig, außer während des Sendens | Netzbetriebene Relais und Regler |
Ein Befehl an einen Zähler der Klasse A, der stündlich meldet, kann bis zu einer Stunde warten. Der Vergleich Zigbee und LoRaWAN behandelt Downlinks, bestätigte Uplinks und die Fehlerbilder, die vor Ort zählen.
Beitritt und Sicherheit
Ein Gerät tritt per Over-the-Air-Activation (OTAA) bei: Es sendet eine Join-Anfrage mit seiner DevEUI und JoinEUI, und der Join-Server antwortet mit Sitzungsschlüsseln, die aus dem Stammschlüssel des Geräts (AppKey) abgeleitet sind. Activation by Personalisation (ABP) überspringt den Beitritt und speichert feste Sitzungsschlüssel im Gerät. Bevorzugen Sie OTAA, denn ein Gerät, das unter ABP seinen Frame-Zähler zurücksetzt, wird vom Netzwerkserver ignoriert, bis der Zähler seinen alten Wert überschreitet.
Jeder Frame trägt einen Integritätscode, berechnet mit dem Netz-Sitzungsschlüssel, und Nutzdaten, verschlüsselt mit dem Anwendungs-Sitzungsschlüssel. Der Netzbetreiber kann einen Messwert also weiterleiten, ohne ihn lesen zu können. Bewahren Sie die AppKeys in einem Schlüsselspeicher auf, nicht in einer Tabelle, die per E-Mail verschickt wird.
Frequenzpläne nach Region
Die Regional Parameters der LoRa Alliance legen Kanäle, Datenraten und Leistungsgrenzen je Region fest, und die örtlichen Funkvorschriften fügen eigene Grenzen hinzu:
| Plan | Band | Wo | Wichtigste Einschränkung |
|---|---|---|---|
| EU868 | 863 bis 870 MHz | Europa und viele weitere Länder | Duty Cycle, 1 % im Standard-Teilband 868,0 bis 868,6 MHz |
| US915 | 902 bis 928 MHz | USA, Kanada | 400 ms Verweildauer, Uplinks daher nur mit SF7 bis SF10 |
| AU915 | 915 bis 928 MHz | Australien | Wie US915, doch Uplinks dürfen nach den aktuellen Regional Parameters SF12 (DR0) nutzen; die Grenze von 400 ms gilt nur, wenn das Netz sie vorgibt |
| AS923 | 915 bis 928 MHz, unterschiedlich | Weite Teile Asiens | Länderspezifische Teilbänder und Verweildauer |
| IN865 | 865 bis 867 MHz | Indien | Drei Standardkanäle |
Ein Gerät wird für einen Plan gebaut. Bestellen Sie es für das Land, in dem es installiert wird, und prüfen Sie, dass Gateway und Netzwerkserver denselben Plan verwenden, bei US915 auch dasselbe Teilband aus acht Kanälen.
Spreading Factor, Sendezeit und Reichweite
Der SF legt einen Kompromiss zwischen Reichweite und Sendezeit fest. Für einen Messwert von 12 Byte (25 Byte auf der Funkstrecke mit dem LoRaWAN-Header) auf einem 125-kHz-Kanal:
| Spreading Factor | Sendezeit | Kürzester Abstand bei 1 % Duty Cycle |
|---|---|---|
| SF7 | 62 ms | 6 s |
| SF9 | 206 ms | 21 s |
| SF10 | 412 ms | 41 s |
| SF12 | 1.483 ms | 148 s |
SF12 braucht 24-mal so viel Sendezeit wie SF7, und die Batterie bezahlt jede Millisekunde. Mit Adaptive Data Rate (ADR) kann der Netzwerkserver ein Gerät mit starkem Signal auf einen niedrigeren SF und weniger Sendeleistung setzen; das spart Batterie und hält den Kanal für andere frei. Ein Gerät im Keller kommt vielleicht nur mit SF12 durch; planen Sie Meldeintervall und Batterielaufzeit mit diesem Wert, nicht mit dem besten Fall aus dem Datenblatt.
Die Reichweite ergibt sich aus dem Funkstreckenbudget: Sendeleistung, Antennengewinne, Kabelverluste und Empfängerempfindlichkeit beim gewählten SF, gegenüber der Streckendämpfung des Standorts. Eine Gateway-Antenne über der Dachkante bewirkt mehr als jede Einstellung. Modellieren Sie die Strecke mit dem Rechner für das Funkstreckenbudget, prüfen Sie bei einer langen Außenstrecke die Freihaltung der Fresnel-Zone und bestätigen Sie das Ergebnis mit einem Testgerät an den tatsächlichen Zählerplätzen.
LoRaWAN, NB-IoT, LTE-M und andere LPWAN-Netze im Vergleich
| LoRaWAN | NB-IoT | LTE-M | Sigfox | Wireless M-Bus | |
|---|---|---|---|---|---|
| Spektrum | Lizenzfrei unter 1 GHz | Lizenzierte Mobilfunkbänder | Lizenzierte Mobilfunkbänder | Lizenzfrei unter 1 GHz | Lizenzfrei, 868 MHz in Europa |
| Netz | Eigene Gateways oder ein öffentlicher Betreiber | Mobilfunkbetreiber | Mobilfunkbetreiber | Sigfox-Netzbetreiber | Eigene Empfänger, Walk-by- oder Drive-by-Auslesung |
| SIM oder Abonnement | Keine SIM; ein Netzwerkserver | SIM je Gerät | SIM je Gerät | Abonnement je Gerät | Keines |
| Daten | Klein, 51 bis 222 Byte pro Uplink | Größere Nachrichten, höhere Raten | Bis etwa 1 Mbit/s, Sprache und Mobilität | 12 Byte pro Uplink, bis 140 am Tag | Zählertelegramme |
| Reichweite in Gebäuden und unter der Erde | Gut, und Sie können ein Gateway ergänzen | Gut, wo der Betreiber versorgt | Geringer als NB-IoT | Gut, wo versorgt | Kurze Reichweite |
| Typischer Einsatz | Private Standorte, Campus, Versorger | Landesweite Flotten fester Geräte | Tracker, bewegte Geräte | Einfache Alarme und Zähler | Auslesung von Wasser- und Wärmezählern |
Die Entscheidung dreht sich meist darum, wem das Netz gehört. Mit LoRaWAN kann ein Standort oder eine Liegenschaft eine eigene Abdeckung betreiben, ohne SIM je Gerät. NB-IoT und LTE-M hängen von Abdeckung und Preisen eines Betreibers ab, brauchen aber keine Gateways. Wireless M-Bus (EN 13757-4) steckt häufig in Wasser- und Wärmezählern selbst und wird mit eigenen Empfängern gelesen. Einen Vergleich mit Mesh-Netzen kurzer Reichweite in Gebäuden finden Sie unter Was ist Zigbee?.
LoRaWAN für die Messung
In Energie- und Gebäudeprojekten sind LoRaWAN-Geräte meist Nachrüstleser: ein Impulszähler an einem Wasser- oder Gaszähler, ein Stromsensor an einem Kabel, ein Temperatursensor in einem Kühlraum. Wählen Sie Geräte, die mit jedem Uplink einen Summenzählerstand senden, etwa die Gesamtmenge in m³ oder kWh. Ein verlorener Uplink kostet dann zeitliche Auflösung, aber keinen Verbrauch. Der Leitfaden zu Impulszählern erklärt, wie ein Impulsleser an einen Zähler angeschlossen wird.
Prüfen Sie vor dem Rollout für jedes Gerät den Regionalplan, die LoRaWAN-Version und die Klasse, den Payload-Decoder, das Meldeintervall beim tatsächlich erreichten SF und wer die Geräteschlüssel verwaltet.
LoRaWAN mit EpiSensor
Edge auf dem ZGW-20 Gateway liest die dekodierten Uplinks von LoRaWAN-Geräten anderer Hersteller vom LoRaWAN-Netzwerkserver des Standorts und speichert sie neben Zigbee-, Modbus- und BACnet-Messwerten. Die Liste der LoRaWAN-Geräte zeigt, wie jedes Modell an Edge angebunden wird und welche Felder sein Decoder liefert.
Häufige Fragen
Wofür wird LoRaWAN verwendet?
LoRaWAN überträgt kleine, seltene Messwerte von Batteriegeräten über große Entfernungen: Impulse von Wasser-, Gas- und Wärmezählern, Temperatur und Feuchte, Stromzangen, Belegung, Füllstände und Alarme. Es eignet sich für Standorte, an denen die Geräte verteilt sind, hinter Wänden oder unter der Erde liegen und Kabel oder ein Mesh-Netz mehr kosten würden, als die Daten wert sind.
Was ist der Unterschied zwischen LoRa und LoRaWAN?
LoRa ist die physikalische Schicht: eine Chirp-Spread-Spectrum-Modulation von Semtech, die Datenrate gegen Reichweite tauscht. LoRaWAN ist das Zugriffs- und Netzprotokoll der LoRa Alliance: Adressierung der Geräte, Beitritt, Verschlüsselung, Geräteklassen und das Zusammenspiel von Gateways und Netzwerkserver. LoRaWAN nutzt LoRa, LoRa lässt sich aber auch ohne LoRaWAN für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen einsetzen, die kein LoRaWAN-Netz empfangen kann.
Welche Reichweite hat LoRaWAN?
In der Praxis einige hundert Meter durch Gebäude und Keller, zwei bis fünf Kilometer in Städten und zehn Kilometer oder mehr über freies Gelände von einem Gateway auf einem Mast. Die Reichweite hängt mehr vom Spreading Factor, der Antennenhöhe, dem Gelände und den Wänden ab als vom Protokoll. Messen Sie sie mit einem Testgerät an den tatsächlichen Montageorten.
Welche Frequenz nutzt LoRaWAN?
LoRaWAN nutzt lizenzfreie Bänder unter 1 GHz, die die Regional Parameters der LoRa Alliance je Region festlegen: 863 bis 870 MHz in Europa (EU868), 902 bis 928 MHz in Nordamerika (US915), 915 bis 928 MHz in Australien (AU915), 865 bis 867 MHz in Indien (IN865) und AS923 in weiten Teilen Asiens. Ein Gerät muss zum Plan seines Netzes passen.
Ist LoRaWAN besser als NB-IoT?
Keines ist allgemein besser. LoRaWAN läuft im lizenzfreien Spektrum über Gateways, die Ihnen gehören können, ohne SIM und ohne Netzbetreiber; das passt zu privaten Standorten und Kellern, die Ihr eigenes Gateway erreicht. NB-IoT läuft im lizenzierten Netz eines Mobilfunkbetreibers mit einer SIM je Gerät; das passt zu Geräten, die über ein ganzes Land verteilt sind, wo der Betreiber bereits Abdeckung hat.
Braucht LoRaWAN Internet?
Nein. Die Gateways brauchen eine IP-Verbindung zum Netzwerkserver, doch der Netzwerkserver kann vor Ort im selben lokalen Netz laufen. Nur ein öffentliches Netz oder ein Netzwerkserver in der Cloud braucht eine Internetverbindung.