LoRaWAN, privates Netzwerk vs. öffentliches Netzwerk, was ist der Unterschied?

Die LoRa-Kommunikationstechnologie wurde 2009 von einem französischen Unternehmen gegründet und befindet sich seit 2012 im Besitz des amerikanischen Unternehmens Semtech. Die internationale Entwicklung dieser Technologie hat dazu geführt, dass heute mehr als 140 Länder weltweit abgedeckt werden. Um dieses Kommunikationsmittel für vernetzte Objekte zu standardisieren, hat die LoRa Alliance ein Protokoll namens LoRaWAN entwickelt. Dieses Kommunikationsprotokoll ermöglicht es jedem Unternehmen, seine LoRaWAN-Tags einzusetzen und so kleine Datenpakete wie Positionen, Temperaturen oder Identifikationsnummern über mehrere Kilometer in privaten oder öffentlich betriebenen Netzwerken zu übertragen. In Frankreich haben Orange und Bouygues (Objenious) ihre eigenen IoT-Netzwerke im ganzen Land eingerichtet, aber bis 2019 wird es weltweit mehr als 120 Betreiber geben.

Um Ihnen zu helfen, diese Kommunikationstechnologie besser zu verstehen und das Netzwerk auszuwählen, das Ihren Bedürfnissen am besten entspricht, schlagen wir Ihnen vor, die technische Funktionsweise von LoRaWAN zu erläutern, einen Vergleich zwischen öffentlichen und privaten Netzwerken anzustellen und schließlich einige typische Anwendungen zu entdecken.

Das Funktionsprinzip von LoRaWAN

LoRaWAN (Long Range Radio Wide Area Network), ist ein Netzwerkprotokoll mit niedriger Geschwindigkeit und großer Reichweite, das auf der LoRa Funktechnologie (Modulation) basiert. Dieses offene Standardprotokoll, das seit 2015 von der LoRa Alliance gefördert wird, arbeitet in den ISM-Frequenzbändern (um 868 MHz für Europa) und verwendet eine Spreizspektrummodulation – genauer gesagt eine Variante der Chirp Spread Spectrum Mod ulation.

LoRaWAN ein sternförmiges Netzwerk

Ein LoRaWAN-Netzwerk besteht aus Geräten, die über LoRa mit Gateways kommunizieren, die die Daten über eine 3G-, Ethernet-, WIFI- oder andere Verbindung an die Server weiterleiten. Der Server wiederum sortiert die Informationen und leitet nur die relevanten Daten an dasHMI weiter. In diesem Fall spricht man von einem sternförmigen Netzwerk.

Bei dieser Betriebsart wird die gesamte Intelligenz des Netzwerks vom Server bereitgestellt, der :

• Den Informationsfluss verwalten
• Sichere Daten
• Verwaltung der Redundanz der empfangenen Daten

Ein sicheres Netzwerk

Mit dem Aufschwung der vernetzten Objekte sind auch Probleme der Cybersicherheit aufgetreten. Mit mehr als 22 Milliarden Geräten, die weltweit mit dem Internet verbunden sind, ist der IoT-Markt ein perfektes Ziel. Um diese Cybersicherheitsprobleme zu lösen, bietet LoRaWAN Netzwerk- und Datensicherheit mit zwei AES-128-Verschlüsselungen.

• Der erste über den Netzwerk-Sitzungsschlüssel – Network Session Key (NwkSKey) – stellt die Authentizität der Geräte sicher.
• Die zweite Komponente, der Application Session Key (AppSKey), gewährleistet die Sicherheit und Vertraulichkeit der Daten, die über das Netzwerk übertragen werden.

Um eine optimale Sicherheit des Netzwerks zu gewährleisten und zu verhindern, dass Dritte die Daten einsehen können, ist der Anwendungsschlüssel nur dem Anbieter der Anwendung bekannt. Der Netzwerkschlüssel wird vom Netzwerkbetreiber den autorisierten Anwendungsanbietern mitgeteilt.

Aktivieren Sie ein LoRa-Gerät

Um über das LoRaWAN-Netzwerk kommunizieren zu können, müssen die Geräte unbedingt diese beiden Sicherheitsschlüssel erhalten. Hierfür gibt es zwei Methoden: die OTAA-Methode und die APB-Methode.

• Die OTAA-Methode: Das Device muss eine Anfrage vom Typ LoRa: join request senden, in der 3 Elemente erscheinen müssen: die DevEUI, die AppEUI und der AppSKey.
• Die APB-Methode: Bei dieser Methode werden die Sitzungsschlüssel NwkSKey und AppSKey sowie die Geräteadresse (DevAddr) direkt in das LoRaWAN-Gerät geschrieben.

NB: Die OTAA-Methode ist komplexer zu implementieren als die APB-Methode, bietet aber ein höheres Maß an Sicherheit. Für eine groß angelegte Einführung wird empfohlen, die OTAA-Methode zu verwenden, da sie sicherer und agiler ist.

Privates LoRaWAN-Netzwerk vs. öffentliches Netzwerk

Wie bei Kommunikationstechnologien wie 3G oder WIFI kann das LoRaWAN-Netzwerk öffentlich sein, indem es sich auf die Antennen der Telekommunikationsbetreiber stützt, aber es kann auch privat sein. Ein Unternehmen kann sein eigenes LoRaWAN-Netzwerk aufbauen, wenn es dies wünscht. Es ist jedoch wichtig zu bedenken, dass unabhängig von der Art des Netzwerks die Kanalbelegungszeiten (Duty Cycle) eingehalten werden müssen, auch wenn die Frequenzbänder frei belegt werden können. Aber was sind die Vorteile und Einschränkungen dieser beiden Möglichkeiten?

Privates LoRaWAN-Netzwerk

In Frankreich deckt Orange fast das gesamte Land mit einem öffentlichen LoRaWAN-Netzwerk (dem so genannten “operierten” Netzwerk) ab. Über diese Netzwerkinfrastruktur können vernetzte Objekte Daten über sehr große Entfernungen von bis zu mehreren Kilometern austauschen. In städtischen Gebieten mit vielen Hindernissen kann ein angeschlossenes Gerät eine Nachricht an einen Terminal senden, der etwa 1 km entfernt ist, aber in ländlichen Gebieten kann diese Entfernung bis zu 20 km betragen.

Orange LoRaWAN-Abdeckungsgebiet

Privates LoRaWAN-Netzwerk

Obwohl die Abdeckung durch öffentliche Netze in Frankreich gut ist, ziehen es viele Unternehmen vor, sich für private Netze zu entscheiden. Unternehmen, die nicht wirklich Mobilität bei der Verwaltung ihres Sensorparks benötigen, können von der Installation eines privaten Netzwerks angezogen werden. Die Hauptvorteile sind die Informationssicherheit, da das Unternehmen in einem privaten Netzwerk sein System mit dem Netzwerk verbinden kann, ohne das Internet nutzen zu müssen, und die niedrigen Anschaffungskosten, da das Unternehmen keine Abonnements bei einem Betreiber bezahlen muss. In diesem Rahmen muss das Unternehmen die gesamte Netzwerkinfrastruktur (Geräte, Gateways, Server, Geschäftsanwendungen) installieren, aber dies kann zu Skaleneffekten führen, wenn die Anzahl der angeschlossenen Geräte groß ist.

Dediziertes LoRaWAN-Netzwerk

Um die oben genannten Probleme zu lösen, kann man sich für ein sogenanntes “dediziertes” Netzwerk entscheiden. Dieses hybride Netzwerk kombiniert die Vorteile von privaten und öffentlichen LoRaWAN-Netzwerken. Wenn Unternehmen sich für dieses System entscheiden, können sie ihre eigene maßgeschneiderte Infrastruktur unbegrenzt nutzen, aber auch eine Verbindung zum nationalen Netz herstellen. Diese Lösung garantiert den Nutzern eine optimale Servicequalität bei gleichzeitiger Wahrung ihrer Autonomie.

LoRaWAN-Netzwerk, für welche Geschäftsanwendungen?

Die LoRa-Kommunikationstechnologie ist aufgrund ihrer sehr großen Reichweite für viele Anwendungen geeignet. Ob im Bereich des Smart Building oder der Geolokalisierung, die LoRa-Sensoren und -Tags sind für industrielle Anwendungen konzipiert. Sie sollten jedoch bedenken, dass LoRaWAN-verbundene Objekte aus Gründen des intelligenten Batteriemanagements periodisch senden. Dies kann je nach Anwendung einmal pro Stunde, pro Tag oder pro Woche der Fall sein.

Im Rahmen des Smart Building können Sensoren für Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Helligkeit und Bewegung ein besseres Energiemanagement von Gebäuden ermöglichen. Dies kann z.B. die Fernüberwachung der Temperatur in den Heizungskellern verschiedener Gebäude sein, die mehrere Kilometer voneinander entfernt sind.
Was die Geolokalisierung betrifft, so können über LoRaWAN angeschlossene Tags Geräte über mehrere hundert Kilometer hinweg lokalisieren. Dies kann nützlich sein, um Container oder LKWs in einer Logistikanlage von mehreren Quadratkilometern zu lokalisieren.

Was ist zu beachten?

Die LoRa-Kommunikationstechnologie und das LoRaWAN-Protokoll entwickeln sich zunehmend weltweit und werden einige Industriezweige wie die Logistik revolutionieren, indem sie die Möglichkeit bieten, die Bewegungen von LKWs und Geräten international zu verfolgen. Es bleibt noch die Wahl zwischen einem privaten Netzwerk, einem operativen Netzwerk oder einem dedizierten Netzwerk. Hierzu müssen Sie die Anforderungen und die Kosten für die Infrastruktur bewerten, die damit verbunden sind, aber auch die Möglichkeit, die Installation und die Wartung intern zu verwalten oder nicht. Um mehr über dieses Kommunikationsprotokoll zu erfahren, besuchen Sie bitte die Website der LoRoa Alliance. LoRa Alliance.