LoRaWAN – Das ultraweite und vereinfachte WLAN

Alles begann mit einem Toaster…

1990 wurde auf einer Konferenz ein Toaster über eine Internetseite an- und wieder ausgeschaltet und ist damit zum ersten Gerät des Internet of Things geworden, kurz IoT. Der Wissenschaftliche Dienst des deutschen Bundestages erklärt IoT so: Bei dem Internet of Things handelt es sich um eine technische Vision, bei der eine Vielzahl von Objekten in ein digitales Netz, noch nicht und nicht nur LoRaWAN, integriert werden. Jedes Telefon, jedes Glasfaserkabel, Bluetooth, jede Fitnessuhr und alle Smart-Homes sind Bestandteile eines IoT, so dass damit  jede virtuelle Machine-to-machine Verbindung gemeint ist.

Internet of Things und LoRaWAN

Die weltweite Vernetztheit und die Infrastruktur jeder einzelnen Stadt hängen mittlerweile mit einem IoT zusammen und entwickelt sich seit Beginn immer weiter. Am bekanntesten ist wahrscheinlich für alle das World Wide Web oder W-Lan, was jeder von zu Hause kennt und an das die Meisten wahrscheinlich bei dem Begriff „Internet“ sofort denken. Beide sind jedoch nur Bestandteile des Internet of Things, welches noch wesentlich weitreichender verwendet wird. Uns interessiert in diesem Fall speziell die Anwendung in Unternehmen, denn im Zeitalter des 21. Jahrhunderts, ist auch hier das IoT nicht mehr wegzudenken.

In Unternehmen sind mittlerweile eine Vielzahl an Geräten miteinander vernetzt. Zum Beispiel können Maschinen schon längst aus fernen Büros gesteuert oder Daten von kilometerweit entfernten Sensoren empfangen und verarbeitet werden. In unserem letzten Artikel Energiemanagement ging es zum Beispiel über die Möglichkeit eines Energieüberwachungssystems für Unternehmen, um das eigene Energiesystem wirtschaftlicher und ökologischer zu machen. Dafür muss ein System aus Sensoren, Gateway und einem Server errichtet werden um beispielsweise überall im Unternehmen den Stromverbrach einzelner Geräte zu messen und auf einem Computer zu sammeln.

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Der Streckenrekord bei LoRaWAN liegt bei ca. 700km – große Distanzen, geringe Durchsätze

Damit jedoch alle diese Sensoren an Ihren einzelnen Standorten mit dem Server kommunizieren können, braucht es ein IoT, also eine virtuelle Verbindung zwischen den Geräten. Auf den ersten Blick scheint es natürlich leicht, die Sensoren und Server einfach mit dem im Unternehmen ausgebauten W-Lan zu verbinden. Es gibt jedoch gravierende Nachteile des Wireless-Local-Area-Networks, die es für beispielsweise gerade unseren Anwendungsbereich eines Energiemanagementsystems nicht empfehlen. Am gravierensten ist die fehlende Reichweite und der hohe Energieverbrauch.

Wesentlich effektiver ist eine neue Form des Internet of Things, das Low-Power-Wide-Area-Network, kurz LPWAN.

LPWAN als Alternative zu Wan, Lan und Mobilfunk

Diese Zwischenüberschrift kann zunächst sehr verwirrend wirken. Um den Zweck von LPWAN und dadurch auch LoRaWAN erklären zu können, ist es jedoch sinnvoll noch etwas ausführlicher zu werden. Wenn man vom IoT direkt zu LPWAN springt, lässt man nämlich die anderen Verbindungsmöglichkeiten innerhalb des IoT außer Acht, deren kurze Erklärung jedoch für ein besseres Verständnis im späteren Inhalt des Artikels sorgen könnte…

Um im Internet of Things verschiedene Geräte miteinander zu vernetzen, gibt es verschiedene Möglichkeiten, welche alle Vor- und Nachteile haben. Es gibt Wan, Lan, Mobilfunk und LPWAN

Wan beschreibt die kabelgebundene Verbindung von Geräten mit z.B. Glasfaser. Verschiedene Computersysteme können über ein angelegtes Glasfasernetz mit dem Internet verbunden werden und Daten austauschen. Eine kabelgebundene Verbindung ermöglicht einen sehr hohen Transfer an Daten und ist, bis auf den Fall eines Kabelbruchs, immer vorhanden, also komplett störungsfrei. Die Installation eines solchen Netzwerks ist jedoch kostenintensiv und aufwändig. Auch wenn eine hohe Datenmenge definitiv ein Vorteil ist, so birgt dieser auch einen starken Energieverbrauch.

Lan hingegen (worunter auch W-Lan fällt) ist die lokale Verbindung von Geräten in, zum Beispiel einem Haushalt. Dieses kann sogar kabellos über WLan oder Bluetooth erfolgen und ermöglicht ebenfalls einen Austausch von hohen Datenmengen, diesmal jedoch über eine geringere Distanz. Der Aufbau ist im Gegensatz zum WAN weniger komplex, die Geräte in beiden Netzwerken benötigen jedoch einen festen Stromanschluss um die hohe Menge an Daten zu senden oder zu empfangen.

Cellular/Mobilfunk kann sowohl digital als auch analog erfolgen und ermöglicht eine kabellose Verbindung über große Distanzen. Jedem Teilnehmer muss jedoch ein bestimmter Funkkanal zugeteilt werden auf dem er senden und empfangen kann. Damit man in sehr großen Bereichen empfangen kann, muss es verschiedene Funkstationen geben, die in unterschiedlichen Frequenzen senden. Mit 3 bis mittlerweile 5G können sogar größere Datenmengen versendet und empfangen werden. Wie beispielsweise bei Handys, kann hier nun auf einen Batteriebetrieb der Geräte umgesattelt werden, da die Datenmengen geringer sind.

LPWAN (Low-Power-Wide-Area-Network) wurde im Anschluss an die drei anderen Verbindungsarten entwickelt, um genau für einen bestimmten Zweck die Nachteile der Vorgänger zu kompensieren. Wie der Name schon sagt, hebt sich LPWAN durch eine besonders geringe Energieabhängigkeit ab. Zudem wird eine enorm hohe Reichweite und Durchdringungsfähigkeit erreicht. In diesen drei Bereichen ist LPWAN aktuell die führende Netzwerkart. Nur die übertragbare Datenmenge fällt deutlich geringer aus.

Vorteile von LPWAN

Jedoch ist LPWAN genau für seinen Erfindungszweck ideal geeignet: Die Übertragung von sehr kleinen Datenmengen über eine sehr große Reichweite (von bis zu 40 Kilometern) bei einem geringen Energieverbrauch. Weiterhin weisen LPWAN-Geräte eine immens hohe Batterielaufzeit aufgrund der geringen Datenmenge auf, die die Wartungs- und Stromkosten enorm verringert.

LoRaWAN - das gehört der Vergangenheit an

LoRaWAN – das gehört damit der Vergangenheit an

Wie bereits erwähnt, ermöglicht ein solches Netzwerk eine sehr hohe Reichweite. In Unternehmen mit beispielsweise vielen Büros, einem großen Gelände oder mehreren Gebäudekomplexen, stößt LPWAN nicht an seine Grenzen, wie es W-Lan hingegen würde. Hier spielt auch der Durchdringungsfaktor eine Rolle, denn bei bestimmten Stoffen wie Beton oder Wasser, sollte das Netzwerk nicht an seine Grenzen geraten. Ein weiteres Kriterium besteht in der Latenzzeit, das heißt der Dauer der Datenübertragung vom Sensor zum Gateway. Bei den einzelnen Datenraten muss bei jedem Fall einzeln geschaut werden, ob man in eher kürzeren oder längeren Intervallen Daten von einem einzelnen Sensor empfangen möchte. Bei einem Gerät, welches zum Beispiel den Stromverbrauch misst, ist ein sehr kurzer Intervall sinnvoll, beim Messen des CO2-Gehalts kann man hingegen auf längere Datenraten setzen. Die generell sehr hohe Batterielaufzeit einzelner Sensoren in einem LPWAN ist ausgesprochen lang (bis zu 10 Jahre), wird jedoch im Falle des eben genannten Beispiels selbstverständlich beeinflusst. Ein weiterer Vorteil sind geringe Installationskosten eines eigenen Netzwerkes mit Hilfe von LPWAN, denn im Gegensatz zu Glasfaserkabeln oder wiederholter Repeater in einem WLAN beispielsweise, hält sich der Kostenaufwand sehr gering. Zu guter Letzt sollten noch die Vorteile der Skalierbarkeit und  IT-Sicherheit erwähnt werden. So können pro Basisstation bis zu zehn- oder sogar hunderttausend Sensoren vernetzt werden, was eine enorme hohe Dateneinspeisung ermöglicht und auch wenn die Datenbandbreite sehr gering ist, leidet darunter keineswegs die Sicherheit der Informationen. Dabei kommen bereits bekannte Verschlüsselungstechnologien zum Einsatz, die Datenspionage verhindern. Es gibt noch weitere speziellere Vorteile, wie den Automatisierungsgrad, die Netzabdeckung oder Protokollstandards, die alle für ein LPWAN sprechen, jedoch an dieser Stelle zu weit führen würden.

Um ein eigenes Internet of Things (also ein drahtloses Netzwerk verschiedenster Geräte) in einem Unternehmen aufzubauen, weil man beispielsweise den Energieverbrauch von Maschinen, die Temperatur & CO2-Gehalt verschiedenster Räume oder Verbrauch von Wasser oder Gas erfassen möchte, ist ein LPWAN perfekt geeignet. Von dieser Netzwerkart gibt es bis jetzt drei Anbieter: LoRaWAN, Sigfox und NB-IoT. Die beiden Letzteren wurden aus einem kommerziellen Ansatz gegründet, bei Sigfox durch eine französische Firma und NB-IoT durch die Telekom und beide sind lizenzgebunden.

LoRaWAN Anwendungsbeispiele

LoRaWAN hingegen ist eine Allianz, die mittlerweile aus mehr als 400 Mitgliedern besteht, welche alle zur Förderung und Weiterentwicklung beitragen. Speziell die Technologie LoRa wurde vom Unternehmen Semtech erfunden und mit LoRa-Chips ausgestattete Geräte bilden die Grundlage für ein LoRaWA-Netzwerk. Die Allianz hat  sich zum Ziel gemacht ein Standard zu definieren, in den verschiedene Hardwarehersteller mit Ihren eigenen Produkten aufgenommen werden können und ist deshalb auch lizenzfrei.

Im Hinblick auf alle drei Anbieter ist LoRaWAN also offener anwendbar und bietet deswegen Unternehmen die größere Freiheit beim Entwickeln eines eigenen, internen Kommunikationsnetzwerks, um zum Beispiel ein Energiemanagementsystem zu entwickeln, ein erstes LoRaWAN Beispiel. In Bezug auf die weiter oben angesprochenen „Vorteile von LPWAN“ haben alle drei Anbieter ihre Licht- und Schattenseiten, weswegen die Entscheidung für eines dieser Netzwerke jedem Unternehmen selbst überlassen bleibt.

Im weiteren Verlauf dieses Artikels wird jedoch speziell auf LoRaWAN eingegangen, denn mit ihrem Open-Source Ansatz heben Sie sich von den anderen beiden Anbietern ab. LoRaWAN bringt für Unternehmen einen größeren Handlungsspielraum mit, um sich in einem Betrieb ein eigenes IoT-Netz aufzubauen, da man nicht von einem Dienstleister, bestimmten Frequenzen und Lizenzen abhängig ist.

Aus diesen Gründen kooperiert auch Solarautonomie mit der LoRaAlliance. Mit einer Reichweite von bis zu 5 km im urbanen und 15 km im suburbanen Raum können bis zu 40.000 Sensoren und Zähler pro Basisstation installiert werden. Die Sensoren können entweder in einem bestimmten Rhythmus ihre Informationen senden oder abhängig von einem Ereignis. Ein weiteres LoRaWAN Beispiel ist ein CO2-Gehaltssensor, der alle 15 min messen und darauf die Daten zum Gateway schicken kann, wohingegen ein Stromzähler nur sendet, wenn auch Strom fließt. Bei all diesen Daten wird eine 128 Bit AES Verschlüsselung verwendet, die Daten auch bei zum Beispiel WLAN oder WPA2 sichert.

Die grundlegende Architektur eines LoRaWAN besteht aus einem Sensor, einem Gateway und einem Server. Bei den Sensoren werden drei Klassen unterschieden: A, B und C. Geräteklasse A zeichnet sich durch die längste Batterielaufzeit aus, ist lediglich in gewählten Zeitfenstern für die Datenübertragung angeschaltet und befindet sich ansonsten im Stand-Bye-Modus. B-Geräte hingegen können vom Gateway aus angepingt werden, um sich für ein Zeitfenster zu öffnen. C-Sensoren sollten einen festen Stromanschluss haben, da sie permanent geöffnet sind, um Daten unmittelbar und ständig senden zu können.

Genauso muss man für jeden Use-Case zwischen Batterielaufzeit, Datenrate und Reichweite abwägen. Diese drei Eigenschaften kann man sich in einem Gleichgewicht vorstellen, das sich bei Änderung eines dieser Parameter verschiebt: Beispielsweise weist ein Sensor A, der durch mehrere Betonwände senden muss, eine geringere Akkulaufzeit auf als ein identisches Gerät unmittelbar im Raum des Gateways. Die Akkulaufzeit eines Gerätes, welches minütlich Daten sendet, wird geringer ausfallen als wenn nur jede Stunde das Zeitfenster geöffnet wird.

Ganz neu ist eine Entwicklung von Solarautonomie selbst: das Solarautonomie LoRaWAN-Modul.

Effizient und kompakt vereint der Energiemonitor mehrere Geräte in Einem. Das LoraWAN-Gateway, den LoRaWAN-Server, eine Datenbank und eine Webserver sind in einem Asset integriert, was eine Menge Material-, Installations- und Wartungsaufwand erspart. Mit seiner speziellen Firmware kann das Modul von Solarautonomie die Daten der LoRa-Sensoren über das integrierte Gateway und den Server empfangen, visualisieren und archivieren. Alle Dateninformationen werden hier wie gewohnt über ein Webinterface für verschiedene Nutzer zur Verfügung gestellt, beispielsweise ein PC, der die Daten dann im Browser visualisieren kann. Wie im Bild zu sehen ist, braucht man mit Hilfe des Energiemonitors von Solarautonomie nur noch zwei Arten von Geräten, um ein eigenes Energiemanagementsystem aufzubauen: verschiedene Sensoren, die an allen zu messenden Stellen angebracht werden, und den Energiemonitor, der alle anderen Geräte beinhaltet. So kompliziert die Einzelheiten auch sind, man kann es sich so auf jeden Fall leichter machen.

Fakt ist, dass sich ein Netzwerk mit Hilfe von LoRaWAN und zum Beispiel Hardware von Solarautonomie flexibel und einfach an so gut wie jedes Unternehmen anpassen lässt und die Überwachung, Analyse und Verbesserung der eigenen Energienutzung ermöglicht. In unserem Artikel Energiemanagement findet man dazu einen Erklärungstext, der Ihnen zusammen mit diesem Artikel hoffentlich ein gutes Grundverständnis auf dem Weg zu einem eigenen Energiemanagementsystem vermitteln kann. Man muss keineswegs zum Experten für alle verschieden Anwendungsfälle und dazugehörigen Möglichkeiten werden, denn für die finale Umsetzung stehen Kooperationspartner und Spezialisten wie Solarautonomie zur Verfügung.

Leon Maut, 29.08.2020

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Quellen

Quelle 1: Marcel Linnemann, Alexander Sommer und Ralf Leufkes: Einsatzpotentiale von LoRaWAN in der Energiewirtschaft. Praxisbuch zu Technik, Anwendung und regulatorischen Randbedingungen. Wiesbaden. Springer Vieweg. 2019.

Quelle 2: Infinean – Was ist das Internet der Dinge?

Quelle 3: LineMetrics erklärt LoRaWAN

Quelle 4: LoRa – offizielle Website

Bild 1 & 2: Pixabay

Bild 3: Solarautonomie