LoRa / LoRaWAN - Long Range Wide Area Network (2025)

LoRa (Long Range) wurde ursprünglich von Semtech entwickelt und ist ein proprietäres Protokoll. Allerdings kann jeder den LoRa-Funkstandard nutzen und ein eigenes LoRaWAN-Funknetzwerk auf Basis von LoRa bauen. Ein eigenes LoRaWAN kann eine Alternative sein, wenn die Reichweite von WLAN zu gering ist und die Kosten von Mobilfunk durch Geräte und Tarife zu hoch sind.
Wer Anwendungen für das Internet of Things entwickeln und bauen möchte, benötigt ein Kommunikationssystem oder Netzwerk, über das die Datenübertragung und Kommunikation erfolgen kann. Für kleine Datenmengen eignet sich hierfür LoRa bzw. LoRaWAN.

Was ist LoRa?

LoRa ist die Abkürzung für Long Range. Es ist ein proprietärer und patentierter Funkstandard für ein Low Power Wide Area Network (LPWAN) für kleine Datenmengen, geringen Stromverbrauch und dafür eine hohe Reichweite. Diese Funktechnik nutzt lizenzfreie Frequenzbänder, die jeder unter bestimmten Bedingungen kostenfrei nutzen darf.
LoRa eignet sich demnach zum Aufbau eines eigenen Funknetzes, sofern man mit kleinen Datenraten auskommt.

• Was ist ein LPWAN (Low Power Wide Area Network)?

Was ist LoRaWAN?

LoRaWAN ist die Bezeichnung für ein Funknetzwerk auf Basis der LoRa-Funktechnik. LoRaWAN definiert ein Kommunikationsprotokoll und die Systemarchitektur. Mit ITU-T Y.4480 gibt es von der International Telecommunication Union (ITU) einen Standard. Außerdem existiert mit der LoRa Alliance, in der Semtech Mitglied ist, eine offene Organisation, die sich um die Weiterentwicklung kümmert.
Ein LoRaWAN kann jeder selber betreiben, oder ein fremdes LoRaWAN benutzten.

LoRa Alliance

Die LoRa Alliance ermöglicht durch ihre Standardisierung und Zertifizierungsmodelle die notwendige Interoperabilität zwischen Geräten unterschiedlicher Hersteller und sorgt für eine weltweite Akzeptanz.

LoRa-Kommunikation

LoRa und damit in einem LoRaWAN hat ein LoRa-Endgerät keinen festen Bezug zu einer Basisstation (Gateway). Es findet, anders als in kommerziellen Mobilfunknetzen, keine regelmäßige Kommunikation statt. Das spart Strom bei den mobilen Geräten, reduziert den Datenverkehr. Grundsätzlich sieht die LoRa-Funktechnik vor, dass gesendete Daten immer von alle erreichbaren Gateways empfangen werden.

Eigenschaften

• Verbindung: Uplink-orientiert, bidirektional, Quittungsbetrieb möglich
• Modulation: Chirp-Spread-Spectrum und FSK
• Netzarchitektur: Die Endgeräte kommunizieren mit Gateways, welche die Datenpakete an einen Server im Internet übermitteln. Der Server verfügt über Schnittstellen für die Anbindung an IoT-Plattformen und -Applikationen.
• Frequenzbereiche: In Europa 868 MHz (863–870 MHz, unterteilt in mehrere Subbänder) und in den USA 915 MHz. Die Kanalnutzungsdauer ist in vielen Ländern regulatorisch begrenzt (Arbeitszyklus).
• Reichweite: Je nach Topografie bis 2 km in Stadtgebieten und bis 15 km in ländlichen Gebieten. Dabei wird eine gute Durchdringung von Gebäuden erreicht.
• Energieverbrauch: Zwischen 10 mA und 100 nA im Ruhemodus. Je nach Anwendungsfall beträgt die Batterielebensdauer 2 bis 15 Jahre.
• Funkkanalbandbreite: 125 kHz
• Empfindlichkeit: -137 dBm
• Sendeleistung: maximal +20 dBm bzw. maximal 100 mW
• Datenpakete: EU: max. 51 Byte / USA: max. 11 Byte Nutzdaten pro Paket
• Übertragungsrate: von 250 Bit/s bis 50.000 Bit/s

Frequenzbereiche

LoRa unterstützt eine breite Palette an Frequenzbändern. Die unterstützten Frequenzbänder können jedoch je nach Region und Hersteller variieren. Die häufigsten Frequenzbereiche sind 433 MHz, 868 MHz in Europa, 915 MHz in Nordamerika und 920 MHz in Asien. Es gibt auch LoRa-Module für 2,4 GHz, das weltweit verfügbar ist.
Zu beachten ist, dass für die Nutzung der Frequenzbereiche weltweit unterschiedliche Bedingungen herrschen. Teilweise wird man hierbei von den verwendeten LoRa-Geräten unterstützt, sofern man diese richtig konfiguriert.

Funktechnik

Die meisten LoRa-Geräte arbeiten im Sub-GHz-Bereich und nutzen die Frequenzmodulation (FSK) oder Chirp Spread Spectrum (CSS) als Funktechnik. Bei FSK werden die Funksignale über einen bestimmten Kanal (Frequenz) gesendet. Mit CSS werden die Funksignale über mehrere nebeneinanderliegende Kanäle gesendet. Beide Funktechniken haben eine hohe Reichweite und Zuverlässigkeit bei der Übertragung von Funksignalen über große Entfernungen.

• LoRa-Funktechnik

Reichweite

Die Reichweite zwischen Sender und Empfänger beträgt je nach Umgebung und Bebauung in der Stadt ca. 3 km, in Vororten ca. 6 km und bis zu 13 km in ländlichen Gebieten.
Wie groß der Abstand zwischen LoRa-Sender und -Empfänger sein darf, ist aber auch von Einstellungen abhängig. Zum Beispiel vom Spreizfaktor (Spreading Factor), der Bandbreite (Bandwidth), der gewählten Sendeleistung (TX-Power) des LoRa-Moduls und der verwendeten Antenne.
LoRa hat eine hohe Sensibilität von -137 dBm, was die Verfügbarkeit des Netzes erhöht. Die Signale durchdringen Gebäudemauern problemlos und erreichen so zum Beispiel auch Kellerräume oder andere, sogenannte Deep-Indoor-Standorte. Die Verfügbarkeit kann also auch dort gegeben sein, wo Mobilfunk typischerweise nicht hinkommt.

Übertragungsrate, Bandbreite und Spreizfaktor

Die Kommunikation erfolgt auf verschiedenen Kanälen mit unterschiedlichen Datenraten. Die Datenrate reicht von 250 Bit/s bis 11.000 Bit/s. Mit FSK erreicht man 50.000 Bit/s.
Die physikalische Paketgröße beträgt 64 Byte brutto. Für den Header werden 13 Byte benötigt. Es bleiben also 51 Byte für die zu übertragenden Nutzdaten übrig.

In Europa werden im Frequenzbereich 868 MHz folgende Kombinationen aus Spreizfaktor, Bandbreite und Bitrate verwendet.

Der SF12 (Spreizfaktor) bei 125 kHz (Bandbreite) kommt nur auf 250 Bit/s (Datenrate). Dafür nimmt der Empfänger den Zirp-Impulse mit sehr hoher Wahrscheinlichkeit wahr, weil es ihm vergleichsweise leicht fällt, die Signale vom Rauschen zu unterscheiden.

Energieverbrauch und Batterielaufzeit

Das LoRa-Modulationsverfahren ermöglicht eine optimale Sendeleistung bei möglichst niedriger Leistungsaufnahme durch den Transmitter (Sender). Der geringe Energieverbrauch soll eine Lebensdauer der Batterie von bis zu 15 Jahre ermöglichen, hört und liest man.

Die Wahrheit erfährt man bei genauerem Studium der Datenblätter. Da kann man nachlesen, dass die Hersteller von LoRa-Modulen für eine bestimmte Batterielaufzeit, sehr optimale Bedingungen angeben: Das ist eine hohe Datenrate (und damit kurze Sendezeit, aber hohe Fehlerrate), niedrige Sendeleistung (und damit kurze Reichweite) und nur ein Datenpaket pro Tag oder gar pro Woche.

Ob ein konkreter Anwendungsfall unter diese Bedingungen fällt und ob die verwendete Batterie bei geringer Selbstentladung tatsächlich über viele Jahre durchhält, steht in den Sternen. Manche Batterietypen sind nicht einmal so lange auf dem Markt, wie sie angeblich halten können. Die Prognosen beruhen oft auf beschleunigten Tests und Hochrechnungen. Ob die verwendeten Materialien, aus denen eine Batterie besteht, überhaupt solange stabil sind, ist fragwürdig. Dabei sind die Umgebungsbedingungen, wie Temperatur und Feuchtigkeit, noch gar nicht berücksichtigt.

Von was wir ausgehen können ist, dass LoRa-Sender sehr energiesparend und vielleicht für eine bestimmte Batterielaufzeit konstruiert werden können. Dank der geringen Sendeleistung von 25 mW ist die LoRa-Funktechnik, im Gegensatz zu Mobilfunk und WLAN, auch mit batteriebetriebenen Endgeräten möglich und sinnvoll nutzbar.
LoRa und LoRaWAN ermöglichen Anwendungsfälle, die mit herkömmlichen Funktechniken gar nicht möglich wären.

Sicherheit

Wenn Daten per Funk übertragen werden, dann sind die Daten zwischen Sender und Empfänger auch von jedem in Reichweite befindlichen fremden Empfänger zu empfangen und könnten verarbeitet, ausgewertet und gespeichert werden. Desweiteren wäre denkbar, dass jemand die Datenübertragung in seinem Sinne manipuliert.

Bei LoRa und LoRaWAN werden die Datenpakete vom Sender bis zum Application-Server grundsätzlich mit AES verschlüsselt. Das heißt, über die Sicherheit muss man sich hier keine Gedanken machen. Die Gefahr besteht nur darin, dass sich die AES-Implementierung als fehlerhaft und unsicher, sowie die Schlüssellänge als zu kurz herausstellt. Desweiteren sollte man als Anwender seine Zugangsdaten zu Gateways und zum Netzwerk, sowie die Schlüsselverwaltung der Endgeräte im Griff haben und nicht durch fehlerhafte Handhabung eigenverschuldete Sicherheitslücken produzieren.
Besondere Vorsicht ist geboten, wenn Sicherheitsschlüssel im Klartext im Programmcode gespeichert sind. Die Frage ist, wer alles Zugriff auf den Programmcode bekommen könnte und damit auch auf die Schlüssel. Das ist bei der Konstruktion eines LoRa-Endgeräts zu berücksichtigen.

LoRaWAN-Netzarchitektur

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.

Anwendungen

LoRa ist primär für statische Sensor-Anwendungen gemacht. Typische Anwendung sind Statusinformationen erfassen, abfragen und austauschen. Mit Sensoren, die sich an beliebigen Orten befinden, können Informationen ermittelt oder gewonnen werden, die auf einfache Weise in eine Applikation integriert werden können.

• Smart Home
• Smart City
• Smart Factory
• Smart Farming

Übersicht: LoRa und LoRaWAN

• LoRa und LoRaWAN: Anwendungen
• LoRa und LoRaWAN: Architektur
• LoRa und LoRaWAN: Netzwerke
• LoRa-Funktechnik
• LoRa-Endgeräte-Klassen (A, B und C)
• LoRa-Endgeräte-Aktivierung (ABP vs. OTAA)

Übersicht: IoT-Funksysteme

• IoT-Funksysteme
• LPWAN - Low Power Wide Area Network
• NB-IoT - NarrowBand-IoT (NB-IoT)
• LTE-M - Long-Term Evolution for Machines
• UNB - Ultra-Narrow-Band Modulation (Sigfox)

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