LoRa und LoRaWAN

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Bild 6: Die Verbindungsschichten der LoRa-Allianz. LoRa-Allianz

Wenn man sich mit LoRa beschäftigt, stößt man auch auf den Begriff LoRaWAN, wobei anzumerken ist, dass hier oftmals nicht genau unterschieden wird. Zieht man das OSI-Modell zu Rate, erkennt man, dass es ich bei LoRa um die physikalische Schicht (physical layer), die Hardware-Ebene, handelt. Streng genommen beschreibt LoRa das Modulationsverfahren Chirp Spread Spectrum (CSS) im ISM-Band von Semtech. Die Datenverbindungsschicht erfasst Veränderungen in der PHY-Schicht und legt das Protokoll für das Senden von Daten fest.

LoRaWAN ist ein offener Standard, der das Kommunikationsprotokoll für die LPWAN-Technologie auf Basis eines LoRa-Chips definiert. LoRaWAN definiert die Media Access Control (MAC) in der Verbindungsschicht und wird von der LoRa-Allianz gepflegt (Bild 6). Da Unternehmen wie Silicon Labs eine proprietäre MAC-Schicht (Symphony Link) auf einem LoRa-Chip verwenden, ist diese Unterscheidung wichtig. Wichtige Merkmale des LoRaWAN-Protokolls gegenüber anderen LPWAN-Techniken:

  • keine festen, sondern adaptive Datenraten (300 bis 5000 bit/s); das erlaubt besseres time-on-air und eine Verbesserung der Batterielaufzeit,
  • die Kommunikation ist ursprünglich bidirektional und unbegrenzt,
  • Verschlüsselung der übertragenen Daten,
  • Standortbestimmung ohne GPS über TdoA (time difference of arrival),
  • es können öffentliche oder private Netze aufgebaut werden.
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Bild 7: Daten eines LoRa-Endgeräts können von mehreren Gateways empfangen werden. LoRa-Allianz

Wie man in Bild 7 sieht, können Daten eines LoRa-Endgeräts von mehreren Gateways empfangen werden. Diese leiten die Daten an den LoRa-Netzwerkserver weiter, der die unter Umständen mehrfach empfangenen Daten als einen Stream zum Applikationsserver weiterleitet. Eine Rückantwort vom Server geht dann nur noch über das Gateway, das die beste Verbindung hält. Die bereits erwähnte Positionsbestimmung ist allerdings nur möglich, wenn mindestens drei Gateways das Endgerät empfangen. Die Kommunikation unterscheidet man in die drei Klassen:

  • A (all): batteriebetriebene Anwendung, muss von allen Anwendungen unterstützt werden,
  • B (beacon): batteriebetrieben, zusätzliche Empfangsfenster durch Synchronisationsbeacon,
  • C (continuous): Netzbetrieb, maximales Empfangsfenster, das nur zum Zeitpunkt des Sendens geschlossen ist.

LoRaWAN und Sicherheit

LoRaWAN nutzt zwei Sicherheitsebenen; die erste für das Netzwerk, das heißt, der Knoten authenifiziert sich gegenüber dem Netzwerk, die zweite Ebene stellt sicher, dass der Netzwerkbetreiber keinen Zugriff auf die übertragenen Daten hat. Hierbei kommt eine AES128-Verschlüsselung zum Einsatz mit Schlüsselaustausch. Die Identifikation erfolgt nach IEEE EUI-64. Für einen weltweiten Einsatz von Geräten gilt es einige lokale Gegebenheiten, die hauptsächlich in der ISM-Band-Spezifikation begründet sind, zu beachten, wie unterschiedliche Frequenzbänder, Unterschiede bei den erlaubten Sendeleistungen und den verfügbaren Kanälen, sowie unterschiedliche Datenraten im Up-Link- und Down-Link-Kanal.

LoRa oder Sigfox, wer macht von diesen beiden im lizenzfreien Raum das Rennen? Sicherlich lässt sich die Frage nicht mit „der Eine“ oder „der Andere“ beantworten. Es wird vielmehr eine Frage des zukünftigen Ausbaus sein und auch eine Frage, was braucht die Applikation. Soll heißen: Reichen mir die paar Nachrichten/Tag die mir Sigfox gewährt nicht aus, dann fällt Sigfox aus.

Lizensierte Frequenzbänder/GSM

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Bild 8: Lizensierte Frequenzbänder/GSM für Nahbereich-IoT. Acal BFI

Hier heißt das Ziel NB-IoT. Entwicklungstechnisch kommen wir hier von 4G oder LTE, allerdings ist die ursprüngliche Zielsetzung von höher, schneller, weiter in Bezug auf die Datenraten eher auf den Kopf gestellt. Herkommend von LTE-Cat-3 beziehungsweise Cat-4 mit 150 Mbit/s, geht es über LTE Cat 1 zu Cat M1, der LPWA-Technik mit der noch höchsten Bandbreite von 350 kbit/s (Bild 8). Hier besteht noch die Möglichkeit Sprache zu übertragen. Außerdem ist ein Roaming möglich, wobei hier der Wechsel zwischen Funkzellen und nicht der grenzüberschreitende Betrieb gemeint ist.

Mit der nächsten Stufe Cat-NB1 ist erreicht, was für eine Anwendung im Bereich Internet of Things gebraucht wird: Basierend auf einer Schmalbandtechnologie, Datenraten im zweistelligen Kilobitbereich, Up-Link sowie Down-Link möglich, stromsparend durch entsprechende Power-Saving-Modes (PSM). Mit PSM ist es möglicht, sleep mode von Sekunden auf Stunden und Tage zu erweitern. Des Weiteren kostensparend, was durch eine geringere Komplexität der NB-Module erreicht wird. Ziel muss hier sein, langfristig in einen Bereich von fünf bis zehn Dollar zu kommen, um im Vergleich mit den anderen Technologien wettbewerbsfähig zu sein. Anwendungen sind rein stationär, wie Parkraum-Management oder das Überwachen von Straßenbeleuchtungen. Da diese Einschränkung nicht unbedingt überall Gefallen findet, soll Cat-NB2 einen Wechsel des Funkmasten ermöglichen. Sicherlich darf man ohne Übertreibung davon ausgehen, dass bis NB2 noch einige Jahre ins Land ziehen werden.

EC-GSM-IoT (extended coverage GSM IoT)

Extended Coverage GSM IoT (EC-GSM-IoT) ist ein entwicklungstechnischer Ansatz für ein in 2016 standardisiertes LPWAN. Mit EC-GSM-IoT wurde ein kostengünstiges, energieeffizientes, zellulares Mobilfunknetz, basierend auf enhanced GPRs (EGPRS), für das Internet of Things (IoT) konzipiert. Die Optimierungen, die für existierende GSM-Netze notwendig sind, können per Softwareupdate durchgeführt werden, was einen schnellen Ausbau und time-to-market ermöglicht. Eine Koexistenz zu bestehenden 2G-, 3G- und 4G-Netzen ist gegeben.

EC-GSM-IoT arbeitet wie LTE-M und NB-IoT in den Frequenzbändern zwischen 800 MHz und 900 MHz. Die Bandbreite beträgt 200 kHz, wobei das Trägersignal gleichzeitig von vorhandenen LTE- oder GSM-Netzen oder auch von NB-IoT genutzt werden kann. Da die Funkstrecke gegenüber 2G-Mobilfunknetzen eine zusätzliche Dämpfung von 18 dB bis 20 dB zulässt, können mit EC-GSM-IoT Entfernungen von bis zu 15 km überbrückt und Funkknoten in Gebäuden installiert werden. EC-GSM-IoT nutzt die Sicherheitstechnik der Mobilfunknetze, wie die vertrauliche Benutzerkennung, die Authentifizierung und Datenintegrität und die Mobile Equipment Identity (MEID).

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Bild 9: Ein Vergleich der verschiedenen GSM-basierenden Technologien. Acal BFI

Mit Extended Coverage (EC) können viele unterschiedliche IoT-Anwendungen realisiert werden. So beispielsweise die Einbindung von Smart Meter im Smart Grid, industrielle Anwendungen in der Produktionstechnik und der Logistik, M2M-Kommunikation und vieles mehr (Bild 9).

Fazit

Eine spannende Frage könnte sein, wie lange stehen denn die Netzwerke zur Verfügung, sind die Anbieter in fünf5, zehn oder 20 Jahren noch im Business? Sicherlich, die bevorstehenden beziehungsweise bereits vollzogenen Abschaltungen von 2G- Netzen haben gezeigt, dass hier auch nicht das ewige Leben angesagt ist. Allerdings kann man davon ausgehen, dass auch mit 5G, den LPWA-Technologien im GSM-Bereich ein längeres Dasein beschieden sein dürfte. Nicht von Vorteil ist für LoRa und Sigfox sicherlich auch der aktuell noch nicht vorhandene globale Netzausbau. Des Weiteren ist kein Migrationspfad für die zukünftige Unterstützung größerer Bandbreiten vorgesehen.

Bei LTE- M, NB-IoT und EC-GSM-IoT darf man sicherlich von einer globaleren Abdeckung mit etabliertem Ecosystem und einem garantierten QoS sprechen. Weitere Eigenschaften wie Echtzeitkommunikation, kurze Latenzzeiten und ein Migrationspfad zu höheren Bandbreiten sind gegeben. Nachteilig ist sicherlich das time-to-market, verbunden mit den Kosten einer möglicherweise weltweiten Zertifizierung. Von Vorteil ist sicherlich die Möglichkeit eines SW-Updates over-the-air.

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