LoRa-Module für industrielles IoT und Kommunikation mit großer Reichweite

LoRa (Long Range) ist eine drahtlose Modulationstechnologie, die auf Chirp Spread Spectrum (CSS) basiert. Sie ermöglicht eine energieeffiziente Datenübertragung über große Entfernungen bei niedrigen Datenraten. LoRa arbeitet in lizenzfreien Frequenzbändern wie 868 MHz (Europa), 915 MHz (Nordamerika) und 433 MHz (Asien) und nutzt verschiedene Spreading Factors (SF7 – SF12), um Reichweite und Datenrate anzupassen.

LoRaWAN ist ein Netzwerkprotokoll für IoT-Anwendungen, das auf LoRa basiert. Die Architektur besteht aus mehreren Komponenten:

• Endgeräte (End Nodes): Sensoren oder Aktoren mit LoRa-Chips, die Daten senden und empfangen (Transceiver).
• Gateways: Empfangen LoRa-Signale und leiten sie über IP (Ethernet, LTE, Wi-Fi) an den Network Server weiter. Ein einziges Gateway kann große Flächen abdecken. Leiten Sie Pakete, die aus Richtung des Servers gesendet werden, an die Endgeräte weiter.
• Network Server (NS): Verwaltet die Kommunikation, filtert doppelte Nachrichten und steuert die Netzbelastung.
• Join Server (JS): Authentifiziert Geräte und generiert Sicherheitsschlüssel für die Verschlüsselung.
• Application Server (AS): Verarbeitet entschlüsselte Sensordaten und leitet sie an die IoT-Anwendung oder Cloud-Plattform weiter.

Es gibt zwei Möglichkeiten, ein Endgerät mit einem LoRaWAN-Netzwerk zu verbinden:

Over-the-Air Activation (OTAA):

• Sicheres Verfahren mit dynamischer Schlüsselgenerierung.
• Das Endgerät sendet eine Join Request-Nachricht an den Network Server.
• Der Join Server generiert Sitzungs-Schlüssel (AppSKey & NwkSKey) für die Verschlüsselung und Authentifizierung.
• Nach erfolgreicher Authentifizierung kann das Gerät Nachrichten senden und empfangen.

Activation by Personalisation (ABP):

• Schnelleres Verfahren, aber weniger sicher, da Schlüssel dauerhaft im Gerät gespeichert werden.
• Keine Join-Prozedur erforderlich; das Gerät kann sofort senden.
• Nachteil: Sicherheit ist schwächer, da Schlüssel nicht regelmäßig erneuert werden.

OTAA wird empfohlen, da es für jede Registrierung neue, sichere Schlüssel generiert.

LoRaWAN nutzt mehrere Sicherheitsmechanismen:

Datenverschlüsselung:

• AES-128-Bit-Verschlüsselung gemäß dem IEEE 802.15.4/2006-Standard.

Zwei separate Schlüssel:

• Netzwerksitzungs-Schlüssel (NwkSKey): Gewährleistet die Integrität der Nachrichten.
• Anwendungssitzungs-Schlüssel (AppSKey): Verschlüsselt Nutzdaten.

Sicherheit während der Aktivierung:

• OTAA verwendet dynamische DevNonce-Werte, um Replay-Angriffe zu verhindern.
• Jede neue Registrierung erzeugt neue Schlüssel, um Abhörversuche zu vereiteln.

Schutz vor Angriffen:

• Nachrichtenintegritätscode (MIC): Gewährleistet, dass Nachrichten nicht manipuliert werden.
• Rahmenzählermechanismus: Verhindert Replay-Angriffe.
• Ende-zu-Ende-Verschlüsselung: Gewährleistet, dass selbst der Network Server keinen Zugriff auf die Nutzdaten hat.

Diese Mechanismen machen LoRaWAN zuverlässig und sicher für IoT-Anwendungen.

Die Reichweite hängt von der Frequenz, der Sendeleistung, der Empfindlichkeit des Empfängers, den Umweltbedingungen, den Antenneneigenschaften und anderen Faktoren ab. Wände, Gebäude und Interferenzen können die Reichweite signifikant verringern. Die theoretische Reichweite kann mithilfe des Link-Budgets und der "Formel für Freiraumdämpfung" berechnet werden.

LoRaWAN eignet sich für großflächige, drahtlose IoT-Netzwerke.

Die Reichweite hängt auch vom verwendeten Spreading Factor (SF) ab. Folgende Reichweiten werden typischerweise angegeben:

• Ländliche Gebiete: Bis zu 15 km mit SF12.
• Stadtgebiete: 2–5 km, je nach Bebauungsdichte.
• Industrieumgebungen: 1–3 km, da Metalkonstruktionen Signale dämpfen.

Praktische Reichweiten sollten mit spezifischen RF-Modulen und Anwendungen überprüft werden.

LoRaWAN eignet sich für zahlreiche IoT-Anwendungen, darunter:

• Smart Cities: Intelligente Straßenbeleuchtung, Parkraummanagement, Luftqualitäts­sensoren.
• Landwirtschaft: Bodenfeuchtesensoren, Viehtracking, Wetterstationen.
• Industrie 4.0: Asset-Tracking, Prozessüberwachung, Maschinenwartung.
• Umweltüberwachung: Hochwassererkennung, Frühwarnsysteme für Waldbrände.

LoRaWAN ist ideal für energieeffiziente, großflächige IoT-Netzwerke.

LoRaWAN ist optimiert für niedrige Datenraten, mit Übertragungsgeschwindigkeiten zwischen 0,3 kbit/s und 50 kbit/s:

• Höherer Spreading Factor (SF12) → Langsamere Übertragung (~300 bit/s).
• Niedrigerer Spreading Factor (SF7) → Schnellere Übertragung (~11 kbit/s).

Da LoRaWAN für sensorbasierte, periodische Datenübertragungen ausgelegt ist, sind diese Datenraten für viele IoT-Anwendungen ausreichend.

Bei der Planung einer Anwendung sollten Faktoren wie Duty Cycle ("On-Air-Time") und Paketverlust (potenzielle Wiederholungen) berücksichtigt werden.

Das Adaptive Data Rate (ADR) in LoRa ist ein Mechanismus, der darauf abzielt, die Übertragungsrate und die Sendeleistung basierend auf den aktuellen Netzwerkbedingungen und der Entfernung zwischen Geräten und Gateways zu optimieren.

Hier sind die Hauptpunkte:

• Datenrate: ADR optimiert die Datenrate, um die Kommunikationseffizienz zu maximieren. Höhere Datenraten ermöglichen schnellere Übertragungen, während niedrigere Datenraten stabilere Verbindungen bieten.
• Sendeleistung: Durch die Anpassung der Sendeleistung verbessert ADR die Energieeffizienz. Geräte in der Nähe des Gateways können mit geringerer Leistung übertragen, während weiter entfernte Geräte möglicherweise höhere Leistung benötigen, um die Konnektivität aufrechtzuerhalten.
• Automatische Anpassung: ADR ermöglicht automatische Parameteranpassungen basierend auf dem Empfang von Bestätigungen und den Netzwerkbedingungen, was hilft, das richtige Gleichgewicht zwischen Reichweite und Energieverbrauch zu finden.
• Ziel: Der Hauptzweck von ADR ist, die Batterielebensdauer von IoT-Geräten zu verlängern und gleichzeitig eine zuverlässige Kommunikation sicherzustellen.

LoRaWAN arbeitet auf verschiedenen lizenzfreien ISM-Bändern, die je nach Region variieren:

• Europa: 868 MHz (EU868).
• Nordamerika: 915 MHz (US915).
• Asien: 433 MHz (AS433) & 920-925 MHz (AS920).
• Australien: 915-928 MHz (AU915).

Diese Frequenzbänder ermöglichen einen kostenfreien Betrieb, sind jedoch zeitlichen Übertragungsbegrenzungen (Duty-Cycle-Beschränkungen) unterworfen.

Eine vollständige Liste der spezifizierten Frequenzbänder finden Sie in den "LoRaWAN® Regional Parameters RP002-1.0.4" der LoRa Alliance.

Hinweis: Semtech, der Hauptentwickler der LoRa-Technologie, hat LoRa-Chips vorgestellt, die 2,4 GHz unterstützen, wie die Transceiver SX1280 und SX1281. Diese verwenden eine proprietäre, nicht standardisierte Version von LoRa.

LoRaWAN-Geräte haben einen niedrigen Stromverbrauch und ermöglichen eine Batterielebensdauer von typischerweise bis zu 10 Jahren (die tatsächliche Batterielebensdauer muss entsprechend den Anforderungen der jeweiligen Anwendung berechnet werden).

Geräteklassen:

• Klasse A (Standardmodus): Höchst energieeffizient, mit nur kurzen Übertragungszeiten (mit darauf folgenden Empfangsfenstern).
• Klasse B (geplante Empfangsfenster): Ermöglicht synchronisierte Kommunikation, jedoch mit höherem Verbrauch.
• Klasse C (kontinuierlicher Empfangsmodus): Hoher Energieverbrauch, aber niedrige Latenz.

Für batteriebetriebene Sensoren ist Klasse A die beste Wahl.

Ein einziges LoRaWAN-Gateway kann je nach: • Datenrate und Spreading Factor: Höhere SF-Werte reduzieren die Gateway-Kapazität. • Paketgröße und Übertragungsintervall: Kürzere Nachrichten und längere Intervalle erhöhen die Gerätekapazität. • Umweltbedingungen: Störungen durch andere Funksysteme können die Kapazität verringern.

Ein gut geplantes LoRaWAN-Netzwerk kann effizient eine große Anzahl von Sensoren unterstützen.

Die „LoRa Alliance“ ist eine internationale Organisation, die sich auf die Förderung und Entwicklung der LoRaWAN-Technologie konzentriert. LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) ist ein Protokoll, das für drahtlose Netzwerke entwickelt wurde, insbesondere für die Kommunikation von IoT-Geräten (Internet der Dinge) über große Entfernungen und mit niedrigem Energieverbrauch.

Hauptziele der LoRa Alliance:

• Standardisierung: Förderung der globalen Akzeptanz und Standardisierung der LoRaWAN-Technologie.
• Interoperabilität: Sicherstellung, dass Geräte verschiedener Hersteller miteinander kommunizieren können.
• Marktentwicklung: Unterstützung der Entwicklung von Märkten und Anwendungen, die auf der LoRaWAN-Technologie basieren.
• Schulungen und Ressourcen: Bereitstellung von Schulungsmaterialien, Dokumentationen und Ressourcen für Entwickler und Unternehmen, die die LoRaWAN-Technologie nutzen möchten.

Mitgliedschaft Die LoRa Alliance umfasst verschiedene Mitglieder, darunter Unternehmen aus den Bereichen Tele­kommunikation, Software, Hardware und mehr. Die Mitgliedschaft bietet Unternehmen die Möglichkeit, aktiv an der Weiter­entwicklung der Technologie teilzunehmen und von gemeinsamen Ressourcen zu profitieren.