Für dieses Projekt gibt es auch ein Video auf Youtube: Was ist LoRa & LoRaWAN - Grundlagen, IoT Vernetzung, Reichweiten & Anwendungen

LoRa – Die Infrastruktur für Internet of Things

LoRa ist ein Funkstandard, der speziell für kleine Geräte entwickelt wurde, um von diesen Daten über Gateways in das Internet zu senden. Aufgrund sehr niedriger Datenraten, spezieller Frequenzen und der sehr hohen Empfindlichkeit von den Empfängern, können mit LoRa Daten über viele Kilometer mit einer Sendeleistung vom wenigen Milliwatt übertragen werden. Auch in Gebäuden breiten sich die Funkwellen sehr gut aus und dringen sogar durch sehr dicke Wände oder bis in den Keller hinunter.

LoRaWAN

LoRaWAN bedeutet Low Power Wide Area Network und ist die Schnittstelle zwischen dem IoT-Gerät und der Cloud. Die Topologie der Netze ist sternförmig. Da die Vernetzung von Geräten in Zukunft noch mehr steigen wird und der WLAN-Standard vor allem für batteriebetriebene Geräte sehr ineffizient ist, wurde bei der Entwicklung von LoRa bedacht auf diese Probleme genommen. Grundsätzlich funktioniert LoRaWAN ähnlich wie der herkömmliche W-LAN Access Point. Die Daten werden von den IoT-Geräten empfangen und über das Internet an eine Cloud gesendet. In der Cloud stehen die Daten dem Anwender zur Verfügung. Diese Schnittstelle zwischen dem Internet und den LoRa IoT-Geräten wird als das Gateway bezeichnet. Das Gateway hat eine sehr empfindliche Antenne, die sich sowohl in Gebäuden als auch außerhalb auf Hochhäusern oder Mobilfunk Sendemasten befinden kann. Das Gateway verfügt über eine permanente Verbindung zum Internet und kann somit Daten von der Cloud zum Gerät als auch umgekehrt vom Gerät in die Cloud senden. Im Gegensatz zu WiFi oder GSM bzw. LTE wird für LoRa keine SIM-Karte oder ein Authentifizierungsschlüssel wie bei W-LAN benötigt.

LoRa Funktechnik

Für LoRa sind in Europa und Amerika bereits Frequenzen im ISM/SRD Band fixiert worden. So liegt der Frequenzbereich in Europa um 868 MHz und in den USA um 915 MHz. Die Sendeleistung der IoT-Geräte liegt bei wenigen Milliwatt (10 – 50 mW) und bei den Basisstationen bzw. Gateways beträgt die Sendeleistung bis zu 500 Milliwatt. Die Übertragungsrate liegt zwischen 0.29 und 50 Kilobits, was für einzelne Datensätze mehr als ausreichend ist. LoRa ist nicht für große Datenmengen ausgelegt, weshalb ein Bild oder ein Audiostream nicht übertragen werden kann. Kleine Datenpakte wie z.B. Positionsdaten, Wetterdaten oder Kurznachrichten können jedoch mit LoRa sehr schnell übertragen werden. LoRa arbeitet mit einer Frequenzspreizung, was bedeutet das die schmalbandigen Signale auf einem breiteren Frequenzband verteilt werden. Dies hat u.a. den Vorteil, dass Interferenzen im ISM-Band weitgehendst vermieden werden und daher kaum Störungen verursacht werden. Zusätzlich wird durch dieses Verfahren auch die Energieeffizienz gesteigert. LoRa überträgt die Daten außerdem mit einer zweifach gesicherten 128-Bit AES Verschlüsselung. Die Reichweite beträgt je nach Umgebung und Sendeleistung 2 bis 40 Kilometer. Befinden sich beide Antennen im Freien, so sollte es in einer kleinen Stadt oder ein Dorf problemlos möglich sein, Daten über eine Distanz von 10 Kilometer übertragen zu können. Bei unseren LoRa Projekten machen wir auch einen Reichweitentest, wo wir dann genauer auf die Ausbreitungsbedingungen eingehen werden.

Der LoRa Standard

LoRa ist grundsätzlich standarisiert, wofür sich auch die LoRa Alliance einsetzt. LoRa Alliance ist eine gemeinnützige Organisation, die die Entwicklung von LoRa und den IoT-Vernetzungen vorantreibt. Durch einen einheitlichen weltweiten Standard können dadurch ganze Städte oder Länder sehr schnell flächendeckende Netzwerke aufbauen. Die Organisation arbeitet und entwickelt mit sehr vielen bekannten Herstellern von Computern, Halbleitern und Mobilfunknetzbetreibern zusammen. Neben der LoRa Alliance wird diese Technologie auch von einer sehr großen Community verbreitet. Eine sehr bekannte Community ist das niederländische TTN (The Things Network), an dem auch sehr viele Gateways in sehr vielen Ländern angeschlossen sind. Darunter befinden sich im deutschsprachigen Raum auch sehr viele private Gateways.

Anwendungsmöglichkeiten

Aufgrund der hohen Energieeffizienz können mit LoRa sehr viele kleine Geräte über viele Jahre betrieben werden. Beispielsweise kann das eine Wetterstation im Garten sein oder der GPS-Tracker an einem Haustier. Auch die Wasseruhr kann Daten laufend an das Wasserwerk übertragen. In der Wohnung oder im Haus können Alarmanlagen oder Rauchmelder ohne großen Aufwand vernetzt werden und die Daten in die Cloud übertragen werden. Von der Cloud werden dann die Daten über verschiedene Schnittstellen an Kontrollzentren, Smartphones oder andere Server zur weiteren Verarbeitung gesendet. In einem dichten Netz an Gateways funktioniert diese Technologie flächendeckend, sodass die Daten sogar von mehreren Gateways empfangen werden können, was eine hohe Redundanz bieten würde. Fällt ein Gateway aus, werden die Daten über ein anderes oder mehrere Gateways gesendet.

Bidirektionale Übertragungen

In den meisten Fällen ist die Übertragung vom Sensor in die Cloud gewünscht. LoRa unterstützt auch die Übertragung der Daten von der Cloud an ein Endgerät. Dabei gibt es für bidirektionale Verbindungen drei Varianten:
Klasse 1:
Bei dieser Klasse sendet das Endgerät Daten in die Cloud. Danach bleibt das Gerät für eine bestimmte Zeit empfangsbereit, wo dann Daten von der Cloud an das Gerät gesendet werden können. Nachdem das Zeitfenster abgelaufen ist, ist es nicht mehr möglich, das Gerät bis zum nächsten Sendeversuch zu erreichen.
Klasse 2:
Das Endgerät ist immer wieder zu bestimmten Zeiten empfangsbereit. Diese Zeiten sind dem Gateway bzw. der Cloud bekannt. In diesem Zeitfenster können dann Daten an das Gerät gesendet werden.
Klasse 3:
Das Endgerät ist ständig empfangsbereit und kann jederzeit von der Cloud bzw. dem Gateway erreicht werden. Bei dieser Klasse ist jedoch der Energieverbrauch am höchsten, was bei batteriebetriebenen Endgeräten daher nicht vom Vorteil ist.

LoRa Direct-Mode

Neben dem LoRaWAN ist es auch möglich, diese Übertragungstechnologie zwischen zwei Systemen anzuwenden, die kein Gateway bzw. keine Cloud benötigen. Wenn beispielsweise zwei Arduino Boards miteinander verbunden werden, so ist LoRa auch hier eine sehr gute Lösung, da die Datenübertragung im Gegensatz zu anderen Technologien viel sicherer ist. LoRa kann daher auch für die direkte Kommunikation zwischen zwei Systemen eingesetzt werden.

Semtech SX1276

Der SX1276 von Semtech ist einer der bekanntesten und meistverwendeten Chips für die LoRa Technologie. Dieser Chip deckt mehrere LoRa Frequenzbereiche (433 MHz, 868MHz & 915 MHz) ab. Darüber hinaus kann der Chip auch in nicht für LoRa freigegebenen Frequenzbereichen arbeiten (137-1020 MHz). Für den Empfang benötigt der Chip maximal 10 mA. Neben diesem Chip gibt es von Semtech auch noch den SX1272, der jedoch im Frequenzbereich mehr eingeschränkt ist.

Fakten und Alternativen

Der große Vorteil von LoRa ist die hohe Energieeffizienz. Unter realen Bedingungen beträgt die Reichweite von LoRa in einer Stadt auch nur maximal zwei Kilometer. Eine ähnliche Technologie (APRS) wird auch von Funkamateuren verwendet. Bei APRS liegt die Sendeleistung jedoch bei einigen Watt und im VHF Frequenzbereich. Neben LoRa gibt es auch noch weitere Low Power Netzwerke wie NB-IoT, SigFox oder LTE-M.