Industrielle Kommunikation
Drahtlose Anbindung energiesparender Sensoren und Zähler mit LoRa-Funktechnik in eigenen oder betreibergeführten Netzen
Technologie besprechen
LoRaWAN ist eine LPWAN-Technologie für kleine Nachrichten und energiesparende Endgeräte. LoRa stellt die Funkübertragung bereit; LoRaWAN definiert Netzkommunikation, Geräteaktivierung und Nachrichtenverarbeitung.
Neben den Mobilfunktechnologien NB-IoT und LTE-M lässt sich LoRaWAN mit eigenen Gateways und Servern aufbauen oder als Netzdienst beziehen. Bei eigener Infrastruktur trägt der Netzbetreiber auch die Verantwortung für Abdeckung und Betrieb.
Netzarchitektur
Endgeräte erreichen den Netzwerkserver über ein oder mehrere Gateways. Diese leiten Funknachrichten über IP weiter; der Netzwerkserver verwaltet den Netzbetrieb und entfernt Duplikate von Nachrichten, die mehrere Gateways empfangen haben. Der Anwendungsserver verarbeitet Messdaten und verbindet sie mit Geschäftssystemen.
LoRaWAN
Mehrere Gateways können dieselbe Nachricht empfangen
Planungskriterien
Geeignet für periodische Messwerte und kurze Statusmeldungen. Nutzdatenumfang, Meldeintervalle und Downlink-Verkehr werden gemeinsam geplant; kontinuierliche Datenströme, Video und deterministische Echtzeitsteuerung benötigen eine andere Anbindung.
Gelände, Gebäudestruktur, Antennen und Funkeinstellungen bestimmen gemeinsam die Verbindung. Messintervalle und Empfangsmodi beeinflussen ebenfalls den Verbrauch. Regionale Frequenzpläne und örtliche Funknutzungsgrenzen gehören zur Netzplanung.
Gateway-Standorte, IP-Rückanbindung, Serverbetrieb und Schlüsselverwaltung müssen berücksichtigt werden. Geräteaktivierung, Überwachung und Anwendungsintegration werden von Anfang an geplant.
Technologieauswahl
Netz mit LoRa-Funk in regionalen lizenzfreien Bändern. Eigene Infrastruktur und betreibergeführte Dienste sind möglich; Endgeräte kommunizieren über Gateways.
Mobilfunk-IoT-Technologie mit Frequenzen und Infrastruktur des Netzbetreibers. Endgeräte verbinden sich direkt mit dem Mobilfunknetz, nicht mit einem lokalen LoRaWAN-Gateway.
Ebenfalls eine Mobilfunkanbindung, mit anderen Verkehrs- und Mobilitätsmerkmalen. Wird berücksichtigt, wenn die Anwendung mehr Kommunikationsflexibilität benötigt und das lokale Netz dies unterstützt.
Endgerätebetrieb
Der von jedem LoRaWAN-Endgerät unterstützte Grundmodus. Auf jede Übertragung folgen zwei kurze Empfangsfenster, in denen der Server antworten kann. Eine spätere Downlink-Nachricht muss gegebenenfalls auf die nächste Übertragung des Endgeräts warten. Gut geeignet für batteriebetriebene Sensoren mit periodischen Meldungen.
Ergänzt das Verhalten von Class A durch geplante Empfangsfenster, die mit Netz-Beacons synchronisiert werden. Bietet besser planbare Downlink-Möglichkeiten, benötigt aber zusätzliche Empfangsenergie und Netzunterstützung.
Das Endgerät empfängt fast durchgehend Downlink-Nachrichten, außer während eigener Übertragungen. Dies verkürzt die Wartezeit, erhöht aber den Energieverbrauch und eignet sich daher vor allem für extern versorgte Geräte.
Einführung und Betrieb
LoRaWAN nutzt eine Stern-von-Sternen-Topologie, kein Mesh zwischen Endgeräten. Mehrere Gateways können zusätzliche Empfangsmöglichkeiten bieten; die Kapazität wird jedoch anhand des Nachrichtenverkehrs und der Funkbedingungen geplant. Gateways benötigen eine zuverlässige IP-Rückanbindung.
LoRaWAN verwendet Sicherheitsmechanismen auf Basis von AES-128. Bei OTAA-Aktivierung richtet ein Beitrittsverfahren die Sitzung und ihre Schlüssel ein. Eindeutige Geräteschlüssel, geschützte Speicherung und geregelter Zugriff sind erforderlich; auch Server und Integrationen benötigen ein Sicherheitskonzept.
ADR kann Datenrate und Sendeleistung an die Funkverbindung anpassen. Bei ortsfesten Sensoren kann dies die Nutzung von Energie und Netzkapazität verbessern. Mobile Geräte und schnell wechselnde Funkbedingungen müssen gesondert berücksichtigt werden.
Anwendungsbereiche
Übertragung von Bodenfeuchte-, Wetter- und Gewächshausmesswerten verteilter Messstellen über ein lokales Gateway.
LoRaWAN-Datenerfassung in der LandwirtschaftErfassung kleiner Verbrauchs- und Statusmeldungen kompatibler Zähler mit einer auf die Ableseintervalle abgestimmten Anbindung.
Überwachung von Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Innenraumumgebung mit drahtlosen Sensoren.
Periodische Zustandsberichte und Schwellwertereignisse von Anlagen, getrennt von schnellen lokalen Regelkreisen.
Übertragung von Messwerten verteilter Umweltmessstellen in Intervallen, die auf Standort und Netzkapazität abgestimmt sind.
Seltene Meldungen zu Lagerbedingungen, Temperatur und Gerätezustand innerhalb der verfügbaren Abdeckung.
Technische Abstimmung
Wir wählen Technologie und Gerätevariante anhand des Datenverkehrs, des Netzes am Standort und der Betriebsbedingungen aus.
