LoRaWAN

Long Range Wide Area Network - Das Protokoll für großflächige IoT-Netzwerke

Was ist LoRaWAN?

LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) ist ein LPWAN-Protokoll (Low-Power Wide Area Network), das speziell für batteriebetriebene Endgeräte entwickelt wurde. Während LoRa die physikalische Funkschicht definiert, beschreibt LoRaWAN das Netzwerkprotokoll und die System-Architektur darüber.

LoRa vs. LoRaWAN

  • LoRa: Physikalische Funkschicht (PHY) - Die Modulationstechnik
  • LoRaWAN: Media Access Control (MAC) Layer - Das Netzwerkprotokoll

Vergleichbar mit: WiFi (PHY) vs. TCP/IP (Protokoll)

Netzwerk-Architektur

LoRaWAN verwendet eine Stern-Topologie, bei der Gateways als Brücke zwischen Endgeräten und einem zentralen Netzwerkserver fungieren.

1. End Devices (Endgeräte)

Sensoren, Aktoren oder beide - oft batteriebetrieben und drahtlos mit dem LoRaWAN-Netzwerk über Gateways verbunden.

  • Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren
  • GPS-Tracker
  • Wasserzähler und Smart Meter
  • Parkplatz-Sensoren

2. Gateways

Empfangen LoRa-Nachrichten von Endgeräten und leiten sie an den LoRaWAN-Netzwerkserver weiter. Verbindung via Backhaul (Cellular, WiFi, Ethernet, Glasfaser).

  • Transparente Brücke (kein Routing)
  • Unterstützt mehrere Kanäle gleichzeitig
  • Kann tausende von Geräten bedienen

3. Network Server

Verwaltet das gesamte Netzwerk: Gateways, Endgeräte, Anwendungen und Benutzer.

  • Deduplizierung von Nachrichten (mehrere Gateways)
  • Adaptive Datenrate (ADR)
  • Authentifizierung und Verschlüsselung
  • MAC-Befehle für Gerätesteuerung

4. Application Server

Verarbeitet anwendungsspezifische Datennachrichten von Endgeräten.

  • Entschlüsselt Application-Payload
  • Generiert Downlink-Pakete
  • Integration mit Cloud-Diensten

5. Join Server

Eingeführt mit LoRaWAN v1.1 für sichere Geräteaktivierung.

  • Root-Key-Speicherung
  • Session-Key-Generierung
  • Verbesserte Sicherheit

Device Classes

LoRaWAN definiert drei Geräteklassen mit unterschiedlichen Kommunikationsmustern:

Class A

Bidirektional (Niedrigster Stromverbrauch)

Das Endgerät sendet wann immer es Daten hat (Uplink). Nach jedem Uplink öffnet es zwei kurze Empfangsfenster für Downlinks.

Vorteile:

  • Extrem energieeffizient
  • Batterielebensdauer: 5-10 Jahre
  • Standard für die meisten Geräte

Anwendungen:

  • Sensoren mit periodischen Updates
  • Smart Meter
  • Asset Tracking
Class B

Bidirektional mit geplanten Empfangsfenstern

Zusätzlich zu Class A öffnet das Gerät zu festgelegten Zeiten Empfangsfenster (über Beacon synchronisiert).

Vorteile:

  • Planbare Downlinks möglich
  • Immer noch energieeffizient
  • Reduzierte Latenz für Downlinks

Anwendungen:

  • Fernsteuerbare Aktoren
  • Straßenbeleuchtung
  • Bewässerungssysteme
Class C

Bidirektional mit maximalen Empfangsfenstern

Das Gerät empfängt kontinuierlich, außer wenn es sendet. Niedrigste Latenz für Downlinks.

Vorteile:

  • Sofortige Downlinks möglich
  • Minimale Latenz
  • Ideal für Steuerungsanwendungen

Anwendungen:

  • Netzbetriebene Geräte
  • Sicherheitssysteme
  • Kritische Infrastruktur

Achtung: Höchster Energieverbrauch - nicht batteriebetrieben geeignet

Sicherheit in LoRaWAN

Zweischichtige Verschlüsselung

LoRaWAN verwendet AES-128 Verschlüsselung auf zwei Ebenen:

Network Session Key (NwkSKey)

Wird vom Network Server verwendet:

  • Authentifizierung der Geräte
  • Integritätsprüfung (Message Integrity Code)
  • Verschlüsselung von MAC-Befehlen

Application Session Key (AppSKey)

Wird vom Application Server verwendet:

  • Ende-zu-Ende Verschlüsselung der Nutzdaten
  • Nur Application Server kann entschlüsseln
  • Network Server sieht nur verschlüsselte Payload

Aktivierungsmethoden

OTAA (Over-The-Air Activation) - Empfohlen

Sichere Aktivierung mit dynamischer Schlüsselerzeugung bei jedem Join:

  • Gerät sendet Join-Request mit AppKey verschlüsselt
  • Network Server antwortet mit Join-Accept
  • Session Keys werden für jede Session neu generiert
  • Höchste Sicherheit

ABP (Activation By Personalization)

Session Keys werden fest vorkonfiguriert:

  • Keine Join-Prozedur erforderlich
  • Einfacher für Test und Entwicklung
  • Weniger sicher (statische Keys)

Adaptive Data Rate (ADR)

LoRaWAN optimiert automatisch die Datenrate und Sendeleistung basierend auf den Netzwerkbedingungen:

Funktionsweise:

  • Gute Verbindung: Höherer Spreading Factor (SF7) → Schnellere Übertragung, weniger Airtime
  • Schlechte Verbindung: Niedriger SF (SF12) → Längere Reichweite, robusteres Signal
  • Network Server: Analysiert empfangene Signalstärke (RSSI) und sendet ADR-Befehle
  • Vorteil: Maximale Batterielebensdauer und Netzwerk-Kapazität

Regional Parameters

LoRaWAN muss regionale Regulierungen für ISM-Bänder einhalten:

RegionFrequenzBandbreiteMax. SendeleistungDuty Cycle
EU868863-870 MHz125 kHz14 dBm1%
US915902-928 MHz125 kHz30 dBmKein Limit
AS923915-928 MHz125 kHz16 dBmVariabel

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