Diese Netze arbeiten in den Sub-GHz-Frequenzbändern Industrial, Scientific and Medical (ISM) bei 868MHz in Europa und 915MHz in Nordamerika. Diese Frequenzen ermöglichen Verbindungen über große Entfernungen, oft mehrere Kilometer, um intelligente Sensorknoten mit einem Gateway zu verbinden. Dieses Gateway kann die Daten zurück in das Internet und in Enterprise-Systeme einspeisen, um eine detaillierte Analyse anderswo auf der Welt zu ermöglichen. LoRa unterstützt die stromsparende Datenübertragung mit Raten von bis zu 50kBit/s, obwohl Datenraten von 1 bis 5kBit/s eher die Norm sind, um die Batterielebensdauer zu verlängern.
Das Protokoll ermöglicht eine Batterielebensdauer von bis zu zehn Jahren, erübrigt damit kostspielige Batteriewechsel und senkt die Betriebskosten, was den Einsatz intelligenter Sensornetzwerke in großem Maßstab ermöglicht. Der geringe Stromverbrauch der Transceiver-ICs bedeutet, dass intelligenten Sensoren auch mit Energie betrieben werden können, die über Solarzellen oder sogar aus den HF-Funkwellen der Umgebung gewonnen wird.
LoRaWAN-Netzwerkarchitektur
Über dem Protokoll auf der physikalischen Ebene (PHY) befindet sich die LoRaWAN-Netzwerkarchitektur. Dabei handelt es sich um eine sternförmige Topologie, bei der Gateways Nachrichten zwischen Endgeräten und einem zentralen Netzwerkserver weiterleiten.
Die Funkkommunikation nutzt die Langstreckeneigenschaften der LoRa-PHY und ermöglicht eine Single-Hop-Verbindung zwischen dem Endgerät und einem oder mehreren Gateways. Alle Modi können bidirektional kommunizieren, und Multicast-Adressierungsgruppen werden unterstützt, um das Spektrum bei Aufgaben wie FOTA-Upgrades (Firmware Over-The-Air) effizient zu nutzen.
Dies hat dazu geführt, dass LoRaWAN als Implementierung von LoRa zur am weitesten verbreiteten LPWAN-Technologie in den nicht lizenzierten Bändern unter 1GHz geworden ist und batteriebetriebene Sensorknoten mit kilometerweiter Reichweite für die wachsenden Anwendungen im Internet der Dinge bietet.
Anwendungsbereiche
Ein wichtiger Bereich für diese Datenanbindung mit geringem Stromverbrauch und großer Reichweite sind Smart Cities. Die Möglichkeit, drahtlose intelligente Sensoren für Luftqualität, Verkehrsdichte und Transport überall dort zu platzieren, wo sie in der städtischen Infrastruktur benötigt werden, liefert wichtige Einblicke in die Aktivitäten der Stadt. Die robuste, stromsparende Natur des Protokolls ermöglicht es den Behörden vor Ort, ein kostengünstiges Netzwerk mit Sensoren an der richtigen Stelle zu betreiben – unabhängig davon, ob die Stromversorgung über das lokale Netz, Batterien oder Solarzellen erfolgt.
Dies erstreckt sich auch auf Smart Retail mit Sensoren in Geschäften, um die Belegung zu überwachen und Personen zu schützen. Gleiches gilt für Produkte, um hochwertige Artikel von der Fabrik bis zum Kunden zu verfolgen (Asset Tracking). Mit einem Netzwerk in der gesamten Smart City kann sich dieses Tracking so weit erstrecken, wie das Netz reicht. Für die Öl- und Gasindustrie können die Daten z.B. die Leistungsfähigkeit von Geräten auf Bohrinseln, in Pipelines oder auf Strommasten in rauen Umgebungen analysieren. Dabei lassen sich Sensordaten für die Überwachung von Pipelines bereitstellen als auch für die vorausschauende Wartung. Maschinelles Lernen kann zum Einsatz kommen, um Muster in den Daten zu identifizieren, die darauf hindeuten, dass eine Maschine in Zukunft ausfallen wird. Auf diese Weise können Geräte während der planmäßigen Wartung repariert oder ausgetauscht werden, anstatt dass sie zu einem zufälligen Zeitpunkt ausfallen.
LoRaWAN wird von der LoRa Alliance als offener Standard verwaltet. Der Allianz gehören 156 LoRaWAN-Netzbetreiber in 171 Ländern sowie Anbieter von LoRa-ICs, -Transceivern, -Sensorplatinen und -Gateways an. Dieses offene Ökosystem aus Netzbetreibern und Technologielieferanten ermöglicht vielfältige Anwendungen, oft mit Tausenden von Sensorknoten, die über ein Gebiet verteilt sind, vielleicht sogar im Abstand von mehreren Kilometern.
Zukünftige Entwicklungen
Der Erfolg von LoRa für Netzwerke mit großer Reichweite wird mit einem neuen Protokoll fortgesetzt: LR-FHSS (Long Range – Frequency Hopping Spread Spectrum) erweitert LoRa-Netze mit direkten Datenverbindungen zu Satelliten. LR-FHSS verbessert die Störfestigkeit noch weiter, sodass die Sub-GHz-Signale von den Satelliten im erdnahen Orbit (LEO; Low Earth Orbit) empfangen werden können. Durch Sensorknoten für die Verbindung zu diesen Satelliten lassen sich bestehende Netze schnell und einfach erweitern, ohne die bestehende Netzwerkinfrastruktur zu ersetzen. Die terrestrischen und satellitengestützten Modulationsverfahren können gleichzeitig in einem Gateway oder dem Netzwerkserver eingesetzt werden, und die verschiedenen Gateways können im selben Netz nebeneinander bestehen.
