Endlich verständlich: LoRa (und LoRaWAN) einfach erklärt!

LoRa vs. LoRaWAN – was ist der Unterschied?

LoRaWAN beschreibt den gesamten Netzwerkaufbau sowie die Kommunikation der einzelnen Komponenten untereinander. Damit wird sichergestellt, dass jedes LoRaWAN-fähige Gerät ohne Probleme in ein bereits vorhandenes Netzwerk eingebunden werden kann.

LoRa bezeichnet die von Semtech entwickelte Funktechnik, die eine extrem stromsparende und weitreichende Datenübertragung möglich macht. Dabei wird LoRa nur zwischen Node (Sensor) und Gateway verwendet.

Eine Analogie zum besseren Verständnis: Als Menschen nutzen wir zur Kommunikation Stimmbänder und Gehör. Damit werden Laute erzeugt und können vom Gegenüber gehört werden – was somit LoRa entsprechen würde. Doch erst die gemeinsame Sprache und Grammatik ermöglicht uns die Verständigung untereinander und würde damit LoRaWAN entsprechen.

Anwendungsbeispiel: Vernetzung einer Industriehalle

Möchte man eine Industriehalle mit unterschiedlichen Sensoren vernetzen, könnte ein Szenario wie folgt aussehen:

Zuerst werden Sensoren (Nodes) platziert, um die gewünschten Betriebsparameter zu erfassen. Dies könnten das Raumklima (Temperatur, Luftfeuchte, CO2 Belastung) in der Halle oder auch Maschinenparameter (Stromverbrauch, Stückzahl, etc.) sein. Natürlich gibt es noch viele weitere Anwendungsfälle.

Üblicherweise reicht die Reichweite eines LoRa-Gateways aus um alle Sensoren in der Halle abzudecken. Dieses Gateway wird nun über LAN oder LTE mit dem Internet verbunden und am LoRa-Server registriert.

Nun ist die Kommunikation zwischen Sensoren und Server hergestellt und die Sensordaten können weiterverarbeitet werden. Das ermöglicht die Überwachung des Raumklimas oder von Auslastung bzw. Störungen der Maschinen. Auf Basis dieser Daten können faktenbasierte Entscheidungen und Optimierungen vorgenommen werden. Bei Erreichen kritischer Werte kann ein Alarm ausgelöst werden.

Batterielaufzeiten von Sensoren in der Praxis

Viele Hersteller von LoRaWAN-Sensoren geben eine Batterielaufzeit von 10 Jahren an. Dies ist jedoch die maximale Laufzeit und ist sehr stark von folgenden Parametern abhängig:

• Senderate/-intervall: Je häufiger ein Sensor Nachrichten übermittelt, desto mehr Energie wird verbraucht. Typische Sendeintervalle für einen LoRa-Sensor liegen bei 15 Minuten bis 24 Stunden. Manche Sensoren können ereignisbasierend in längeren, nicht äquidistanten Intervallen senden, was der Laufzeit zu gute kommt. Beispielsweise kann ein Feuchtigkeitssensor so lange “schlafen” bis er Feuchtigkeit – und damit ein potenzielle Leck – registriert hat.
• Empfangsstärke: LoRaWAN versucht automatisch die energiesparendsten Übertragungsparameter zu wählen. Jedoch benötigt der Nachrichtenversand eines weit vom Gateway entfernten Sensores wesentlich mehr Leistung als der eines nahe gelegenen. Dadurch ist die Leistungsaufnahme auch abhängig von der Entfernung bzw. von abschirmenden Hindernissen (z.B. Stahlbetonmauern) in der Funkverbindung.
• Datenmenge: Da die Leistungsaufnahme über einen Zeitraum von mehreren Jahren betrachtet wird, wirkt sich auch der Umfang der übermittelten Daten auf die Batterielaufzeit aus. Die Schwankung kann je nach Datenmenge mehrere Millisekunden betragen, die zusätzlich für den Datenversand benötigt werden. Aufsummiert über einen Batterielebenszyklus beeinflussen auch diese geringen Veränderungen die Laufzeit erheblich.

Mehr Informationen zur Batterielaufzeit – u.a. ob die von Herstellern versprochenen Laufzeiten realistisch sind -, finden Sie in diesem Blog Post.

Vergleich mit anderen Funktechnologien

Die Vorzüge einer Datenübertragung mit hoher Reichweite und dabei geringem Leistungsverbrauch erfüllen nur die wenigsten Technologien. Gängige Sensorlösungen basierend auf WLAN, Bluetooth oder Zigbee haben eine maximale Reichweite (unter optimalen Bedingungen!) von ca. 100 Metern. Das ist in der Praxis für die Industriehalle im obigen Beispiel oft nicht ausreichend und für ein größeres Areal im Freien zu wenig.

Bei WLAN muss zusätzlich die Leistungsaufnahme berücksichtigt werden. WLAN benötigt in etwa drei Mal so viel Strom, wie ein herkömmliches LoRa-Modul.

Parallel zu LoRaWAN gibt es jedoch noch andere Low Power Wide Area Networks (LPWANs). Dazu zählen Sigfox und Nb-IoT. Der größte Unterschied zu diesen Technologien besteht im Aufbau der Netzwerkstruktur. Hierbei stellen Telekommunikationsunternehmen das notwendige Netzwerk bereit und ein Nutzer benötigt nur einen kompatiblen Sensor – sofern die Netzabdeckung in der eigenen Region vorhanden und ausreichend gut ist. Das Preismodell hat hier der Netzbetreiber in der Hand, was bedeutet, dass für den Nutzer pro versendeter Nachricht Kosten anfallen.

Mehr Informationen zur den Vorteilen der Technologie und Einsatzgebieten  im Bereich IoT finden Sie unter LoRa Funk.