Fragen und Antworten

LoRaWAN-Geräte nutzen in Deutschland allgemein zugeteilte Frequenzen. Aus diesem Grund ist es prinzipiell möglich, dass andere Geräte zeitgleich mit LoRaWAN-Geräten auf der gleichen Frequenz senden und dadurch Telegramme verloren gehen. Durch Reglementierungen der Bundesnetzagentur ist jedoch sichergestellt, dass Frequenzen nicht dauerhaft durch einzelne Geräte gestört werden können (Duty Cycle von maximal 1 %). Im Falle eines nicht erfolgreich übertragenen Telegramms und dem damit verbundenen Ausbleiben der Empfangsbestätigung, sendet das Endgerät die Information erneut. Hierzu nutzen LoRaWAN-Geräte nacheinander unterschiedliche Frequenzkanäle zur Übertragung, wodurch bei einer Störung in einem Frequenzbereich die nachfolgend gesendeten Telegramme trotzdem erfolgreich übertragen werden können. Darüber hinaus wird auch der Sendezeitpunkt durch ein auf dem ALOHA-Zugriffsverfahren basierendes Protokoll zufällig variiert, damit nicht zwei oder mehrere Geräte mehrfach nacheinander gleichzeitig senden.

LoRA WAN Netze sind interoperabel. Sowohl das Roaming zwischen verschiedenen LoRa WAN Providern im gleichen Gebiet (vergleichbar dem „nationalen Roaming“ im Mobilfunk) als auch das Roaming im Ausland („internationales Roaming“) sind möglich. Im Einzelfall sprechen Sie uns an, ob mit dem jeweiligen Einsatzgebiet bereits ein Roaming existiert.

Ja, LoRaWAN ist ein bidirektionales Funksystem. Das Senden von Telegrammen über das Gateway an das Endgerät wird als Downlink bezeichnet. Im einfachsten Beispiel werden Downlinks verwendet, um dem Endgerät den Empfang der von ihm gesendeten Informationen zu bestätigen. Beim Ausbleiben dieser Bestätigung werden vom Endgerät weitere Sendeversuche übernommen.

Darüber hinaus können über Downlinks Änderungen an der Konfiguration der Endgeräte vorgenommen werden. So ist beispielsweise das Ändern des Sendeintervalls möglich. Auch ist eine Steuerung von Aktoren umsetzbar wie z.B. das Öffnen oder Schließen eines Ventils.

Das von LoRa verwendete freie Frequenzband hat für Sie den Vorteil, dass Sie keine Lizenz erwerben müssen und auch ein LoRa-Netzprovider keine Kosten für eine teure Mobilfunklizenz auf seine Kunden umlegen muss.
Durch die Verwendung eines freien Frequenzbands ist natürlich keiner ganz alleine auf der Frequenz. Aber die beschriebenen Regulierungen und das robuste Übertragungsverfahren von LoRa WAN (-> „Kann die Datenübertragung der LoRaWAN-Geräte durch vorhandene Funksysteme gestört werden bzw. können andere Funksysteme durch LoRaWAN gestört werden?“) geben die für IoT-Geräte notwendige Sicherheit.
Lediglich Systeme mit harten Echtzeitanforderungen und Notrufsysteme o.Ä. sollten nicht oder nur nach vorheriger Prüfung mit LoRa WAN betrieben werden.

Mit LoRa sind batteriebetriebene Geräte mit Laufzeiten von 10 Jahren und mehr möglich, auch bei häufiger Datenübertragung und mit Batterien, wie sie auch in kleine IoT-Geräte wie z.B. Smart Meter oder Tracker reinpassen.
Mit LoRa haben Sie außerdem den Vorteil, dass die Basistechnologie offen ist, weshalb einfache LoRa-Netzwerke grundsätzlich von jedem aufgebaut werden können. D.h. eine Abhängigkeit von der Rollout-Planung eines Providers wie beim Mobilfunk, zu dem NB-IoT gehört, gibt es nicht.
Bei Minol ZENNER Connect können Sie jederzeit Ihr Netz selbst erweitern und nachverdichten, um bisher nicht abgedeckte Bereiche zu erschließen, ohne dass Sie als Netzbetreiber registriert sein müssen. Das übernimmt Minol ZENNER Connect für Sie.

Unter asynchronen Paketen versteht man das ereignisgesteuerte Übertragen von Informationen.
Ein geeignetes Beispiel zur Verdeutlichung ist der Parkplatzsensor. Damit zu jeder Zeit der aktuelle Status des Parkplatzes vorliegt, wird jede Zustandsänderung -also bspw. der Wechsel von einem freien auf einen belegten Parkplatz- sofort als asynchrones Paket übertragen.

Zusätzlich zu den asynchronen Paketen können auch automatisch zu festgelegten Zeiten Informationen übertragen werden – diese Übertragungen werden als synchrone Pakete bezeichnet. Am Beispiel des Parkplatzsensors hat z.B. das automatische tägliche Übertragen des aktuellen Zustands den Vorteil, dass auch bei ausbleibenden Zustandsänderungen sichergestellt werden kann, dass das Gerät aktiv und funktionsfähig ist.

Unter ADR versteht man „Adaptive Data Rate“. Das ist ein Mechanismus, welcher die Datenraten und den Energieverbrauch optimiert. Die Datenrate wird abhängig von der Empfangssignalstärke der vom Endgerät bereits empfangenen Telegramme durch den LNS angepasst. Ob die Empfehlung des LNS, den „Spreading Factor“ zu ändern, vom Endgerät angenommen wird, hängt vom Endgerät selbst ab.

Hinter „chirp spread spectrum“ verbirgt sich ein Modulationsverfahren, welches ursprünglich für Radaranwendungen entwickelt wurde. Dieses beruht auf dem Chirp-Impuls, einem gewölbtem Frequenzimpuls, der die Frequenz im Laufe eines Zeitraums ändert, die Amplitude aber gleich lässt. Man unterscheidet zwischen up-chirp, wobei die Frequenz zum Ende ansteigt, andersherum spricht man vom down-chirp. Das „chirp spread spectrum“ nutzt die komplette Bandbreite für die Signalübertragung.

Die LoRa-Endgeräte werden in die drei Klassen A, B und C unterteilt, welche unterschiedliche Anforderungen an die Kommunikation vom Gateway an die Endgeräte beschreiben.

Klasse A:
Geräte dieser Klasse sind besonders energieeffizient – aus diesem Grund sind die meisten batteriebetriebenen Geräte Klasse A-Geräte. Die Kommunikation vom Gateway zum Endgerät (Downlink) kann nur unmittelbar nach dem Senden des Endgeräts zum Gateway (Uplink) erfolgen. Abhängig vom Sendeintervall des Endgeräts kann es dadurch zu längeren Verzögerungen zwischen dem Anstoßen eines Downlinks und dem tatsächlichen Übertragen zum Endgerät kommen. Alle LoRaWAN-Geräte müssen die Klasse A Funktionalität unterstützen.

Klasse B:
Ergänzend zu den Empfangsfenstern unmittelbar nach dem eigenen Sendevorgang, öffnen Klasse B Geräte zu festgelegten Zeiten weitere Empfangsfenster. Zur Synchronisierung dieser zusätzlichen Empfangszeitfenster werden vom Gateway sogenannte Beacons gesendet. Die kürzere Ansprechzeiten haben einen höheren Energieverbrauch der Endgeräte zur Folge.

Klasse C:
Geräte dieser Klasse sind quasi ununterbrochen im Empfangsmodus – lediglich während die Endgeräte selbst senden ist kein Empfang von Downlinks möglich. Dies geht mit einem erhöhten Energieverbrauch einher und ist daher nur sinnvoll, wenn das Gerät kurze Reaktionszeiten auf vom Gateway gesendete Informationen benötigt und im Regelfall über einen festen Stromanschluss verfügt.

Die genutzten Datenraten befinden sich in einem Bereich zwischen 0,3 bis 50 kbit/s. Die Datenrate kann im Betrieb angepasst werden, um die Batterie schonen zu können und die Gesamtnetzkapazität steuern zu können (siehe ADR).

Die Frequenzen, welche von LoRaWAN-Geräten zur Kommunikation genutzt werden können, unterscheiden sich von Region zu Region. Die LoRa Alliance stellt hierzu eine Übersicht zur Verfügung, welche nach Ländern unterteilt, die für LoRa zu nutzenden Frequenzen beinhaltet. In Deutschland werden die von der Bundesnetzagentur allgemeinzugeteilten Frequenzen im Frequenzband von 863 – 870 MHz für Funkanlagen geringer Reichweite (Short Range Devices, SRD) verwendet. Dadurch ergeben sich auch Beschränkungen hinsichtlich der maximalen Sendestärke sowie -häufigkeit. In den USA wird beispielsweise das Band von 902 – 928 MHz verwendet, in China das Band von 470 – 510 MHz.

Das in der EU genutzte Frequenzband von 863 – 870 MHz ist in 10 Kanäle unterteilt, welche von den Geräten zur Kommunikation genutzt werden können. Die Endgeräte wechseln den zur Übertragung verwendeten Kanal zwischen dem Versand einzelner Pakete, um auch im Falle einer Störung einzelner Frequenzbereiche eine erfolgreiche Übertragung sicherstellen zu können.

Man unterscheidet hier zwischen Indoor- und Outdoor-Geräten. Herkömmliche Outdoor-Geräte haben je nach Beschaffenheit der Umgebung eine Reichweite zwischen 2 und 15 Kilometern. Im ländlichen Bereich ist die Reichweite erfahrungsgemäß größer als in der Stadt, aufgrund der vielen Störsignale und Häuser. Die Indoor-Geräte haben hingegen eine deutlich geringere Reichweite.

Mit dem Spreading Factor wird die Sendedauer der Daten und damit die Langlebigkeit der Batterie sowie die Netzwerkkapazität beeinflusst. Der Factor liegt zwischen 7 und 12, wobei der Factor sieben die kürzeste Sendedauer mit höchster Datenrate darstellt. Je größer der Faktor, desto länger wird die Sendedauer und desto niedriger die Datenrate. Mit dem Wechsel des Spreading Factors wird eine sicherere Funkverbindung gewährleistet und die Empfangssensibilität erhöht.

Das Sendeintervall kann von Gerät zu Gerät unterschiedlich sein. Das hängt von den Anforderungen der Benutzer ab, wie oft sie ihre Daten benötigen und welche Größe die eingebaute Batterie besitzt. Daraus abgeleitet sind Sendeintervalle von wenigen Minuten bis monatlich umsetzbar.

• Die Strahlenbelastung durch LoRaWAN-Geräte kann allgemein als unkritisch bewertet werden. Ausschlaggebend hierfür sind folgende Gründe:
  Die Sendeeinheit der LoRaWAN-Geräte ist prozentual bspw. auf einen Monat gesehen immer nur sehr wenig aktiv. Während Mobilfunkgeräte zumeist rund um die Uhr senden und empfangen, senden LoRa-Geräte auf das Jahr gerechnet lediglich 1,5 Stunden (bei täglicher Übertragung eines Telegramms mit SF12)
• Im Vergleich mit anderen Funksystemen senden LoRaWAN-Geräte mit deutlich geringerer Sendeleistung. Die maximale Sendeleistung in Europa sind 25 mW, was 14 dBm entspricht.

Durch die hohe Energieeffizienz der LoRaWAN-Geräte ist, je nach Anwendungsfall, eine Batterielebensdauer von zwei bis 15 Jahren möglich. Einfluss nehmen unter anderem das Sendeintervall, die Länge der Telegramme und die Kapazität der Batterie.

• Die Übertragung der LoRa-Telegramme erfolgt verschlüsselt. Prinzipiell können Nachrichten-Telegramme zwar von jedem Gateway empfangen werden, um die enthaltenen Informationen aber verstehen und nutzen zu können ist es notwendig die Schlüssel zu kennen.
  Die Verschlüsselung erfolgt mithilfe zweier 128-bit AES-Schlüssel, die jeweils pro Endgerät eindeutig sind:
• Network Session Key (NwkSKey): Verschlüsselung zwischen dem Endgerät und dem LoRa Network Server – stellt durch die verschlüsselte Übertragung einer fortlaufenden Datenpaketnummer auch die Nachrichtenintegrität sicher.
• Application Session Key (AppSKey): Verschlüsselung der Payload zwischen dem Endgerät und dem Application Server.
  Abhängig vom Aktivierungsverfahren werden die Schlüssel bereits bei der Produktion in die Geräte geschrieben (ABP), oder im Zuge des Join-Vorgangs zwischen Application Server und Endgerät ausgehandelt (OTAA).

Mit einem LoRa-Telegramm können bis zu 59 Bytes an Daten übermittelt werden.

Wie viele Geräte über ein Gateway zuverlässig empfangen werden können ist von mehreren Faktoren abhängig. Prinzipiell kann es zum Verlust von Paketen kommen, wenn mehrere Telegramme zeitgleich auf dem gleichen Kanal übertragen werden. Einfluss auf die Wahrscheinlichkeit, dass es zu einer solchen Überschneidung kommt, hat neben der Anzahl an Geräten auch die Länge der übertragenen Telegramme sowie der Spreading Factor mit welchem die Geräte senden. Je kürzer die Geräte senden (begünstig durch kleinen Spreading Factor und kurzes Telegramm), desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit einer Kollision. Weiter spielt es eine Rolle, ob zu den gesendeten Telegrammen eine Empfangsbestätigung angefordert wird oder nicht. Eine Empfangsbestätigung hat den Vorteil, dass verloren gegangene Telegramme wiederholt werden – führt jedoch gleichzeitig zu weiterem Traffic. Die Regulierung der Bundesnetzagentur bezüglich der maximalen Sendestärke führt auch dazu, dass die Anzahl an Geräten in Reichweite eines Gateways nicht zu groß werden kann und beugt somit ebenfalls Kollisionen vor.

Versuche haben gezeigt, dass ein einzelnes Gateway bis zu 470.000 Telegramme pro Tag empfangen kann.

Wie beschrieben (-> „Wie ist die Datenübertragung gegenüber dem Zugriff durch Dritte gesichert?“) wird bei LoRa WAN jedes Datenpaket mit einem AES-128-Algorithmus verschlüsselt. Dieser Schlüssel ist individuell je Gerät und wird Ihnen vom Gerätehersteller übergeben, meist in Form eines elektronischen Lieferscheins.
Ein LoRaWAN-Netzbetreiber wie Minol ZENNER Connect benötigt diesen Schlüssel nicht um die Daten Ihrer Geräte durch sein Netz zu Ihnen zu leiten. Sie erhalten dann verschlüsselte Daten, die Sie im eigenen Rechenzentrum entschlüsseln und weiterverarbeiten können.
Lediglich wenn Sie eine Auswertung und z.B. Visualisierung der Daten Ihrer Geräte im Applikationsserver der Minol ZENNER Connect bzw. unseres Partners ZENNER IoT Solutions wünschen, wird der Schlüssel benötigt.
Ob Sie den Schlüssel eines Geräts bereitstellen, liegt also in Ihrem Ermessen, der Netzbetreiber hat darauf keinen Zugriff.