0G-Netz: Mit LoRaWAN Sensordaten über Distanzen verschicken

Die 5G-Frequenzauktionen sind gerade erst zu Ende gegangen, der Ausbau weiterhin in Planung. Andere Funknetze sind da schon weiter: Mit LoRaWAN entstehen Netze für IoT-Sensordaten, die zum Mitmachen einladen.

In der aktuellen Funknetzdiskussion geht es vor allem um 5G. Besonders Kunden aus der Industrie und die Netzbetreiber selbst betonen immer die Wichtigkeit der Funkübertragung von hohen Datenraten mit niedriger Latenz.

0G für größere Reichweite

Dem gegenüber entstehen in Europa momentan Funknetze, bei denen es nicht darauf ankommt, große Datenmengen zu transportieren. Diese werden meist als 0G-Netze bezeichnet und sind vor allem für die Übertragung von IoT-Sensor- und Positionsdaten gedacht – also Nachrichten mit wenigen kilobit. Zum Einsatz kommen Sie zum Beispiel im Bereich der „Smart City“ bei Parksensoren oder „beim Smart Farming“ in Form von Thermometern auf dem Feld. Wie bereits erwähnt kommt es hier nicht auf die Datenmenge an, sondern auf die hohe Reichweite und einen geringen Stromverbrauch, da viele Sensoren durch Akkus betrieben werden. Momentan sind in Deutschland zwei Ansätze zu finden, die beide den zuteilungsfreien Frequenzbereich bei 868 MHz nutzen. Unter bestimmten Voraussetzungen darf hier jeder funken. Sigfox betreibt als kommerzieller Anbieter ein Netzwerk aus Empfangsstationen, deckt mittlerweile große Teile Deutschlands ab und nimmt vom Hersteller pro Endgerät, das Nachrichten versenden möchte, einen Betrag von ca. 5 Euro jährlich.

Ein IoT-Netz, das zum Mitmachen einlädt

Eine Alternative zum Netz mit zentralem Netzbetreiber, der Antennen aufbaut und Server im Hintergrund betreibt, heißt LoRaWAN. Auf der Übertragungsschicht kommt das Funkprotokoll LoRa europaweit bei 863 bis 870 MHz zum Einsatz. Wer nur in einem beschränkten Bereich ein Funknetzwerk aufbauen möche, kann Gateways und Server für LoRaWAN selbst betreiben; für den Server gibt es Open-Source-Implementierungen.

LoRa ist ein offener Funkstandard für ein Low Power Wide Area Network (LPWAN) für nur kleine Datenmengen und dafür eine hohe Reichweite. In allen LoRa-Sendern und -Empfängern kommen ausschließlich die Chips von Semtech zum Einsatz, weshalb der Betrieb eines solchen Netzwerks von einem einzigen Hersteller abhängig ist.

LoRaWAN ist die Bezeichnung für ein Funknetzwerk auf Basis von LoRa. LoRa und nutzt Frequenzbänder aus den lizenzfreien ISM-Bändern. Damit kann ein LoRaWAN eine Alternative oder Ergänzung zum klassischen Mobilfunknetz mit zentralem Netzbetreiber sein.

Übertragungstechnik

Um eine hohe Effizienz bei Datentransfer und Energieverbrauch zu erreichen, nutzt LoRaWAN eine Frequenzspreizung. Dadurch können Interferenzen weitestgehend vermieden und schmalbandige Störungen umgangen werden.

Das Übertragungsverfahren heißt „Chirp Spread Spectrum“. Hierbei erfolgt die Signalübertragung als eine Art Zirpen. Dabei wird der Zirp-Impuls über einen großen Frequenzbereich gespreizt. Wahlweise kann die Bandbreite für eine hohe Datenrate oder eine robuste Übertragung genutzt werden. Der Spreizfaktor (Spread Factor) und die Bandbreite bestimmen, wie hoch die Datenrate sein kann und wie hoch die Empfangswahrscheinlichkeit ist.

Signale, die mit verschiedenen Spreizungsfaktoren moduliert und über denselben Frequenzkanal übertragen werden, stören sich nicht gegenseitig. Die Orthogonalität der Spreizfaktoren ermöglicht gleichzeitiges Senden mehrerer Endgeräte im selben Kanal.

Die LoRaWAN-Netzarchitektur besteht aus vielen Endgeräten in Form von Sensoren und Aktoren, mehreren Gateways und einem zentralen Network Server. Die Endgeräte kommunizieren mit den Gateways. Und die Gateways sind mit dem Network Server verbunden. Der Network Server kommuniziert über verschiedene Protokolle (z.B. REST, MQTT, usw.) mit einer Anwendung, die zum Beispiel als Applikation in der Cloud betrieben wird.

In einem LoRaWAN sind Gateways die Empfänger für die Funksignale zwischen 683 und 870 MHz. Hier empfangen die LoRa-Chips die Zirp-Signale. Auf der anderen Seite sind die Gateways mit dem Internet verbunden. Die Gateways eines LoRaWAN bilden im Optimalfall ein engmaschiges Netz und können über die ganze Welt verteilt sein.

Eine Nachricht kann von einem oder mehreren Gateways empfangen werden. Die Gateways leiten diese ohne weitere Eingriffe an die Network Server weiter. In einem LoRaWAN sind die Network Server dafür zuständig, den Absender zu identifizieren und das Paket an einen Application Server weiterzuleiten. Der Network Server kümmert sich unter anderem darum, dass eine Nachricht nur einmal beim Application Server ankommt, egal wieviele Gateways diese empfangen haben.

The Things Network

Möchte man Sensoren an einer beliebigen Stelle einsetzen, kann man sich am Community-basierten Netzwerk The Things Network (TTN) beteiligen. Wer an einem noch nicht abgedeckten Ort Empfang benötigt, baut ein Gateway auf, das die genutzten Frequenzen abhört und über das Internet mit den Servern von TTN spricht. Kommt eine Nachricht von einem Sensor bei einer oder mehreren Antennen an, werden sie über das Internet weitergeleitet und der Entwickler des Sensors kann sie auslesen. Mittels Protokollen wie MQTT oder HTTP landen sie dann in der eigenen Anwendung zur Auswertung. Die Bereitstellung, Errichtung und Betreuung der Gateways liegt dabei also in den Händen Freiwilliger bzw. Teilnehmer des Netzwerks. Wer ein eigenes LoRaWAN-Projekt plant und ein TTN-Gateway betreibt, versorgt immer auch seine Umgebung. Das macht LoRaWAN interessant sowohl für Bastler, als auch kommerzielle Nutzer.

Die Initiative TTN stammt aus den Niederlanden, wo die Abdeckung nahezu flächendeckend ist. In Deutschland gibt es vor allem in großen Städten aktive Communities, die Gateways betreiben.

Quelle: www.heise.de
Quelle Zitat und Übertragungstechnik: www.elektronik-kompendium.de