Aug, 9 2022

Was ist LoRaWAN? Long Range Wide Area Network erklärt

Zusammengefasst: Die Abkürzung LoRaWAN steht für Long Range Wide Area Network. Speziell für das Internet der Dinge (IoT) entwickelt, sorgt der Netzwerkstandard für energieeffizientes Senden und Empfangen über große Entfernungen. Auch dort, wo Mobilfunknetze keine ausreichende Abdeckung bieten. Darüber hinaus ist es aufgrund der Nutzung quelloffener Software sowie nicht-lizenzierter Frequenzbänder eine der beliebtesten Arten des sogenannten Low Power Wide Area Network (LPWAN).

IoT-Glossar
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Wie funktioniert LoRaWAN?

Das Netzwerkprotokoll LoRaWAN basiert auf dem LoRa-Protokoll. Ursprünglich von der Firma Semtech entwickelt, kann das LPWAN heute dank Open-Source-Lizenz von jedem Unternehmen genutzt werden. Weitere Unternehmen, die LoRaWAN supporten umfassen unter anderem Cisco und Orange, aber auch Actility.

Jedes LoRaWAN-Gerät verfügt über mindestens einen LoRa-Chip sowie einem Antennentyp, der für die Datenübertragung über weite Strecken optimiert wurde. Viele LoRaWAN-Geräte sind zudem modular angelegt, so dass sie mit weiteren LoRaWAN-Endgeräten verknüpft werden können.

Das LoRaWAN-Netzwerk nutzt eine sternförmige Topologie, die sicherstellt, dass jeder Endpunkt via Gateway direkt mit dem Netzwerk verbunden ist. In diesem Netzwerk verteilt der zentrale Netzwerk-Server (LNS) einzigartige Endgeräte-IDs (EIDs). Mit dieser lassen sich alle Sensoren, Aktoren sowie Peripheriegeräte voneinander unterscheiden.

Wie weit reicht LoRaWAN?

Immer wieder hört und liest man, wie gut LoRaWAN im Innenbereich funktioniere. Und es stimmt. Unter realen Bedingungen wie beispielsweise in Industriehallen oder Gebäuden erreicht LoRaWAN erstaunlich Reichweiten von ungefähr 200 bis 500 Metern. Im Außenbereich sind Reichweiten von bis zu fünf bis sechs Kilometer möglich.

Herstellerangaben, die zwischen 10 bis 70 Kilometer ausweisen sind hingegen mit Vorsicht zu genießen. Für derart lange Strecken sind viele Bedingungen zu erfüllen: (theoretische) Sichtverbindung sowie ein flaches Gelände ohne Hindernisse. Auch benötigt es perfekte atmosphärische Bedingungen sowie einen deutlich erhöhter Standort des Gateways.

Wo ist LoRaWAN verfügbar?

Gemäß offizieller Angaben der LoRa Alliance existieren weltweit aktuell 170 Anbieter. Wobei insbesondere Südamerika, der afrikanische Kontinent und viele Staaten des ehemaligen Ostblocks gar keine LoRaWAN-Abdeckung bieten. In Europa und den USA hingegen sieht es wesentlich besser aus.

Was ist der Unterschied zwischen LoRa und LoRaWAN?

Es ist nicht ungewöhnlich, dass die beiden Begriffe LoRa und LoRaWAN synonym verwendet werden. In Wahrheit handelt es sich hierbei allerdings um zwei verschiedene Dinge:

LoRa (Abkürzung für: Long Range) ist ein LPWAN-Protokoll, welches die physikalische Schicht eines Netzwerks definiert. Dabei handelt sich um eine proprietäre Technologie des Chipherstellers Semtech. Mittels des sogenannten Chirp Spread Spectrum werden Funkfrequenzen in Bits umgewandelt, um diese über ein Netzwerk transportieren zu können. LoRa ist eine der Technologien, die LoRaWAN ermöglichen. Allerdings ist es ist nicht auf LoRaWAN beschränkt und es ist auch nicht dasselbe.

LoRaWAN basiert auf dem LoRa-Protokoll und wurde als Erweiterung dessen speziell für den Einsatz in Netzwerken konzipiert. Hier definiert es als Teil der oberen Schicht Kommunikation und Architektur des Netzwerks. Genauer gesagt handelt es sich um ein Protokoll der MAC-Schicht (Medium Access Control), dem sogenannten physical layer.

Wo wird LoRaWAN verwendet?

LoRaWAN ist dort interessant, wo eine zuverlässige Verbindung zu einem zentralen Netzwerk erforderlich ist, gleichzeitig aber keine hohe Bandbreite benötigt wird. Denken Sie hier an Internet of Things-Anwendungen im Bereich Gebäudesicherheit bzw. Gebäude-Management sowie Überwachungssysteme oder auch Lösungen im Smart City-Segment wie Smart Grid oder Verkehrssteuerung.

Was sind die Vorteile von LoRaWAN?

Es gibt mehrere wichtige Gründe, warum Hersteller aus verschiedensten Bereichen LoRaWAN für ihre IoT-Konnektivitätsanforderungen nutzen. LoRaWAN bietet seinerseits eine ziemlich einzigartige Netzwerktechnologie, die auch in rauen Umgebungen zuverlässig ist. Hier sind einige weitere Gründe:

Nicht lizenzierte Frequenzbänder

Während MNOs in erster Linie mit lizenzierten Frequenzen arbeiten, nutzen LoRaWAN-Netzwerke indes nur bestimmte nicht-lizenzierte Frequenzen. Diese können je nach Land durchaus variieren. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass Sie als Eigentümer Ihrer LoRaWAN-Infrastruktur zwar nicht für die Datennutzung zahlen müssen. Allerdings sind Sie für die gesamte Hardware, deren Wartung sowie für die Sicherheit des Datenverkehrs verantwortlich.

Da LoRaWAN-Netzwerke stets dieselben Frequenzen nutzen, besteht immer auch das Risiko sich überlappender LoRaWAN-Netzwerke. Dies geht im Zweifel zu Lasten der eigenen Verbindung, aber auch der IoT-Sicherheit ihres Unternehmens.

Open-Source-Technologie

Im Vergleich zum proprietären Semtech-Chip ist die LoRaWAN-Software selbst quelloffen. Das bedeutet, dass Hersteller auf Basis dessen ihre eigenen LoRaWAN-Lösungen entwickeln und bereitstellen können. So können Sie jederzeit aus einer Vielzahl unterschiedlicher Anbieter von Netzwerkkomponenten auswählen. Und das Beste: deren Server und Gateways sind untereinander interoperabel.

Gute Abdeckung in Innenräumen

LoRaWAN nutzt Frequenzen von unter 1 GHz sowie ein sehr schmales Frequenzband, wodurch es eine erstaunlich gute Abdeckung und Durchdringung in Innenräumen erreicht. Auch dort, wo WLAN- und Bluetooth-Verbindungen bereits das Nachsehen haben. 

Schnelle Konnektivitätslösung - unter einer Bedingung:

LoRaWAN ist ideal, um die Abdeckung auf Standorte auszudehnen, für die es keine andere Konnektivitätslösung gibt, siehe bestimmte Gebäude oder abgelegene Orte. Es kann auch eine brauchbare Alternative zu Wireless MBus, WLAN oder eben Bluetooth sein.

Vorausgesetzt, es gibt entweder einen Dienstanbieter mit entsprechender Infrastruktur oder Sie bauen die Infrastruktur selbst auf. Aber: In den meisten Fällen werden Sie Ihr eigenes LoRaWAN-Netzwerk aufbauen müssen. Dazu später mehr.

Geringer Stromverbrauch

Das Senden Senden oder Empfangen eines Signals via LoRaWAN benötigt weniger als 50 Milliampere (mA) Strom. Das bedeutet, dass die Hersteller für ihre Geräte eine Batterielebensdauer von bis zu 10 Jahren erwarten können. Darüber hinaus verfügen LoRaWAN-Geräte über die Möglichkeit, bei Bedarf in den besonders batterieschonenden Sleep-Modus zu wechseln.

Was sind die Nachteile von LoRaWAN?

Trotz seiner Stärken hat LoRaWAN natürlich auch Nachteile. Diese fallen besonders dann ins Gewicht, wenn Sie und Ihr Unternehmen einen starken Fokus auf schnelles Wachstum bzw. schnellen Go-to-Market haben. 

Fehlende Netzwerkinfrastruktur

Der Vorteil zellulärer IoT liegt auf der Hand. Sie können sich überall auf der Welt niederlassen und einen Anbieter mit Netzabdeckung finden. Die Infrastruktur ist bereits vorhanden. Dies ist bei LoRaWAN oftmals leider nicht der Fall. 

Wenn Sie also in einem Gebiet arbeiten möchten, in dem es keine LoRaWAN-Infrastruktur gibt, müssen Sie diese selbst aufbauen. 

Der geringe Overhead von LoRaWAN wird oft durch die erheblichen Investitionen aufgewogen. Hier gilt es also, sich im Vorfeld genau zu überlegen, wie es perspektivisch um die eigene Konnektivität steht. Auch im Hinblick auf Expansion und Wachstum der eigenen Standorte.

Fehlende Roaming-Vereinbarungen

LoRa-Dienstleister bieten ihrerseits zwar Zugang zu bereits installierten LoRa-Gateways, Roaming-Vereinbarungen existieren indes nicht. Das bedeutet, dass Sie für den Einsatz in neuen Regionen entweder einen Vertrag mit einem anderen Anbieter abschließen oder Ihr eigenes LoRaWAN aufbauen müssen. Die Verwendung einer anderen Lösung für jeden Einsatz kann die Verwaltung Ihrer Konnektivität zu einem logistischen Albtraum machen.

Äußerst begrenzte Messaging-Funktionen

LoRaWAN-Netzwerke erleichtern IoT-Kommunikation ungemein. Allerdings können Sie mit LoRaWAN nur eine begrenzte Anzahl von Nachrichten pro Tag versenden. Die maximale Größe einer Nachricht liegt zudem bei gerade einmal 16 Kilobyte. Das ist für viele Anwendungen kaum ausreichend.

Um dennoch zu verhindern, dass die Frequenzen überfüllt werden, haben einige Regierungen sogenannte Arbeitszyklen eingeführt. Diese erlauben es dem Gerät, das Frequenzband nur ein Prozent der Zeit zu nutzen.

Wann die angeschlossenen Geräte hingegen senden dürfen ist nicht begrenzt. So erlaubt LoRaWAN es allen angeschlossenen Geräten dann zu senden, wenn sie es müssen. Je mehr Geräte Sie gleichzeitig angeschlossen haben, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie gleichzeitig senden und sich gegenseitig stören.

Anfällig für Paketfehler

Aus diesem Grund erzeugt LoRaWAN oftmals Paketfehlerraten (Packet Error Rates, PER) von mehr als 50 Prozent. Eine höhere PER erhöht die Dauer der Übertragungen und macht den Stromverbrauch schwerer vorhersehbar. Wenn Ihre Anwendung eine niedrige PER benötigt (viele Anwendungen benötigen eine PER von 0 Prozent), dann ist dies nicht die richtige Lösung für Sie.

LoRaWAN-Gateways schnell überlastet

Benötigt Ihre Anwendung Nachrichtenquittungen als Empfangsnachweis (und Ihre Geräte häufig senden), kann dies dazu führen, dass Ihre Gateways häufig nicht verfügbar sind. Denn: LoRaWAN-Gateways können nicht gleichzeitig senden und empfangen.

Darüber hinaus liefert LoRaWAN nur dann Empfangsbestätigungen, wenn die Knoten sie anfordern. Sollten Sie also Firmware-Updates an Ihre Geräte senden, um Fehler oder Schwachstellen zu beheben, sind diese im schlimmsten Fall nicht mehr verfügbar.

Fazit

LoRaWAN ist für einige Anwendungen sinnvoll. Wenn Sie mehrere Sensoren mit einem einzigen Gateway verbinden müssen, möchten Sie nicht in jedem Sensor eine SIM-Karte installieren. Aber für das Gateway zum Netzwerkserver ist die Mobilfunkverbindung eine viel bessere Lösung. Für den Einsatz eines einzelnen Geräts empfiehlt sich der Einsatz hingegen nicht.

Darüber hinaus gibt es dort, wo Sie es eventuell brauchen keinen LoRa-Anbieter. Mobilfunkverbindungen sind hingegen bereits überall auf der Welt verfügbar, und Technologien wie LTE-M und NB-IoT haben einen ähnlichen Stromverbrauch wie LoRa. 

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Tobias Weber

Mehr als sieben Jahre Erfahrung als leitender Redakteur im Bereich Smart Home, Konnektivität und Internet of Things. Und noch immer genauso neugierig, wie am ersten Tag.

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